鐵基超導體LiFeP和新型稀磁半導體的制備和物性研究.pdf

1、鐵基超導被發(fā)現后引起了廣泛關注，迅速拓展到各個體系。人們嘗試用各種實驗和理論手段研究其超導機制，并且越來越發(fā)現自旋漲落和超導電性之間有著密切的聯系。本文中我們用核磁共振的實驗方法研究了“111”型鐵基超導LiFeP的性質。通過固相反應法合成多晶樣品后，我們測量了電阻率和磁化強度。電阻率在低溫下降到0，以及磁化強度給出的抗磁信號，都說明LiFeP在～5K轉變?yōu)槌瑢w。在5～40K之間，電阻率和溫度之間有ρ∝T2的關系。我們測量了LiFeP

2、中31P的核磁共振譜線和自旋-晶格弛豫時間T1。我們研究了31P的奈特位移，31K。從4.2 K到280 K的譜線上，31K基本不隨溫度變化。另外，LiFeP中自旋-晶格弛豫率除以溫度，1/T1T，在整個溫度區(qū)間內都很小，比LiFeAs的1/T1T小將近一個數量級，意味著LiFeP中自旋漲落較弱。與此同時，1/T1T隨著溫度降低表現出一定的增大，說明了LiFeP中確實存在反鐵磁漲落。Korringa關系T1TK=h/4πκBγ2e/γ2

3、nβ被用來研究電子的關聯情況。在整個溫度范圍內，β＜1，同時β又比較接近于1，表明LiFeP中的電子關聯很弱。LiFeP的Tc較低，或許和該體系中電子關聯較弱有關。
　　我們的研究表明對于各個鐵基超導體系，如果將其中的Fe都換成Zn，就會變成直接帶隙半導體，比如LaZnAsO、LiZnAs、BaZn2As2。在這些半導體中摻雜Mn以引入局域磁矩，并同時摻雜載流子，會得到很多新型塊材稀磁半導體。目前一系列塊材DMS被發(fā)現，并命名為“

4、1111”[C.Ding et al.，Phys.Rev.B88,041102(R)(2013)],“111”[Z.Deng et al., Nat.Commun.2,422(2010)],“122”[K.Zhao et al., Nat.Commun.4,1442(2013)],“32522”[H.Y.Man et al.，Europhys.Lett.105，67004(2014)]等體系。這些體系也可以看成是鐵基超導體系的衍生物。同

5、時，鐵基超導中的Fe完全被Mn替代后，會得到一系列反鐵磁體，比如LaMnAsO[N.Emery et al.，Phys.Rev.B83，144429(2011)]、LiMnAs[W.Bronger et al.,Z.Anorg.Allg.Chem.539,175(1986)]、BaMn2As2[Y.Singh et al.，Phys.Rev.B80，100403(R)(2009)]等。值得注意的是這些超導體、稀磁半導體和反鐵磁體具有相同

6、的結構，晶格參數值也很接近，該特點為利用這些材料通過As層做成各種異質結奠定了材料基礎。這些新型DMS材料中，不同元素的摻雜分別引入自旋和載流子，實現了自旋和載流子的分離調控，使得我們能夠單獨研究自旋濃度或者載流子濃度對鐵磁性的影響。
　　本文中介紹了幾種新型塊材DMS的制備和物性研究，包括晶格結構、電學性質和磁學性質等。首先是“111”型Li(Zn，Mn)P。零場和弱橫向場μSR測量表明，隨著溫度降低，Li1.15(Zn0.9M

7、n0.1)P中的鐵磁有序的體積分數逐漸增大，溫度降低至2K時鐵磁體積百分比接近100％。這說明樣品中的鐵磁有序是本征的，而不是團簇或雜質導致的鐵磁信號。比較它和其他塊材稀磁半導體以及(Ga，Mn)As中，靜態(tài)局域場振幅as和居里溫度TC的關系可知，它們具有相同的鐵磁耦合機制。另外，Li1+y(Zn1-xMnx)P中，自旋和載流子分離的特點使得我們能夠在固定的自旋濃度下，單獨研究載流子濃度對鐵磁有序的影響。在Li1+y(Zn0.93Mn0

8、.07)P和Li1+y(Zn0.9Mn0.1)P中，隨著y的增大，居里溫度TC、外斯溫度θ、有效磁矩Meff、飽和磁矩Msat都是先增大后減小。說明過多的載流子會壓制鐵磁有序，只有在載流子和自旋濃度之間的平衡點，才能達到最大TC，這與之前的理論預測不符。
　　其次，為嘗試新的摻雜途徑，我們在“122”母相β-BaZn2As2的Zn位進行Mn和Cu或者Mn和Co共摻雜，制備了p型塊材DMS Ba(Zn1-2xMnxCux)2As2以

9、及n型塊材DMS Ba(Zn1-2xMnxCox)2As2。研究表明共摻雜不會改變其四方層狀晶格結構，但是會改變電學和磁學性質。在Ba(Zn1-2xMnxCux)2As2中，載流子的引入會降低電阻率，但是摻雜Mn引起的自旋漲落對載流子的散射，又會使電阻率增大。在單獨摻雜Mn或者Cu的樣品中，只觀察到順磁性。只有在同時摻雜Mn和Cu的樣品中，鐵磁有序才出現。居里溫度，TC，在x=0.20時達到70 K，矯頑力Hc達到1600 Oe。外加磁

10、場下的電阻率測量表明，該體系中存在負磁阻效應。x=0.125的樣品在7K和5T下的磁阻達到-53％。Ba(Zn0.75Mn0.125Cu0.125)2As2的交流磁化率結果表明Tf強烈依賴于交流頻率和外加直流場，有v0/v=(Tf/19-1)-8.3和Tf（H）∝1-bH0.55，說明Tf處發(fā)生了自旋玻璃轉變。
　　此外，“32522”型(Sr3La2O5)(Zn1-xMnx)2As2中鐵磁性的發(fā)現代表了第五類與鐵基超導具有相同結

11、構的塊材稀磁半導體。該體系保持了半導體行為，其居里溫度TC最高達到40 K，飽和磁矩Msat最高達到0.5μB/Mn，并存在磁滯現象。不同摻雜量的樣品的磁化強度測量結果還表明Mn摻雜確實有利于形成鐵磁有序，但是過多的Mn會導致Mn和Mn處于最近鄰位置，而產生反鐵磁耦合作用，從而破壞鐵磁有序。這也是為什么摻雜量為30％時，已經不存在任何鐵磁有序的原因。
　　Ba(Zn1-2xMnxCox)2As2是第一個共摻雜的n型塊材稀磁半導體。

12、其居里溫度為～40K，并且伴隨有鐵磁和反鐵磁耦合作用的競爭，以及負磁阻效應。Ba(Zn，MnCo)2As2的霍爾效應測量結果表明其載流子類型為n型，證實了Ba(Zn，MnCo)2As2中的電子型載流子來自于(Zn2+，Co3+)替代。Zn2+，Mn2+，Co3+離子半徑的差異導致三者不容易同時進入同一晶格中。為了進一步理解該體系中Mn和Co的作用，我們需要提高樣品品質，并且通過更多的實驗手段來研究Ba(Zn，MnCo)2As2中的磁轉變

13、是否是本征的。
　　我們在探索、尋找新型塊材DMS的過程中進行了大量嘗試。嘗試過的材料包括“111”型Li(Zn，Fe)P和Li(Zn，Fe)As，“1111”型(La，Ca/Sr)(Zn，Co/Cr)AsO，(Ba，K)F(Zn，Mn)As，(Ba，K)F(Cu，Mn)S和La(Zn，Mn)As(O，F)，另外還有“122”型(Ba，La)(Zn，Mn)2As2，Ba(Zn，MnNi)2As2和Ba(Zn，Mn)2(As，P)2