新型層狀超導體的研究.pdf

1、超導電性于1911年被發(fā)現(xiàn)后，作為重要的宏觀量子現(xiàn)象，一直是凝聚態(tài)物理中一個重要的研究領(lǐng)域。理論上，人們致力于揭示超導體的超導機制。BCS理論很好地解釋了常規(guī)超導的微觀機制，但是非常規(guī)超導體的出現(xiàn)給超導理論帶來了新的挑戰(zhàn)。實驗上，人們通過化學摻雜、物理壓力和設(shè)計合成新的材料以不斷地探索新的超導體，一方面為研究超導微觀機制提供新的平臺，另一方面為實際應用尋找具有更高轉(zhuǎn)變溫度的超導體。超導材料由元素超導體、合金超導體慢慢地發(fā)展為氧化物超導體

2、等具有較復雜晶體結(jié)構(gòu)的化合物。自銅氧化物超導和鐵基超導體相繼被發(fā)現(xiàn)以來，層狀超導體成為了人們研究的熱點。從晶體結(jié)構(gòu)上分析，這些層狀材料一般由負責超導電性的“活性層”和其他可以進行化學摻雜引入載流子的“載流子庫層”在晶體c方向堆疊而成;從物理性質(zhì)上分析，這些層狀超導體都存在所謂的母體化合物，一般來說母體化合物是反鐵磁的半導體或半金屬，通過化學摻雜或物理壓力來引發(fā)超導電性。由此，尋找適合的超導母體材料進行化學摻雜研究和設(shè)計合成包含“活性層”

3、的新材料是實驗上探索新的超導體合理的途徑。本文的研究即因循這兩種可能的途徑來探索新的層狀超導材料。
　　LaMnAsO是與鐵基超導體母體化合物LaFeAsO同構(gòu)的四元化合物，同時也是反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度高達317 K的莫特絕緣體。我們試圖以Sr部分替代La引入空穴載流子，期望將其變?yōu)榻饘賹щ姴⒁种品磋F磁序，以銅氧化物與鐵基超導體的經(jīng)驗，這樣極有可能引發(fā)超導電性。我們成功制備了多晶樣品La1-xSrxMnAsO(x=0，0.02，0.06

4、，0.08，0.1)，并進一步測量其物性。結(jié)果表明，空穴摻雜的確使其導電發(fā)生絕緣體-金屬轉(zhuǎn)變，但磁有序只受到了輕微的抑制，也未能在這個體系中觀察到超導電性。
　　迄今為止發(fā)現(xiàn)的鐵基超導體主要分為四大家族，之后又有一些體系被相繼發(fā)現(xiàn)。他們的超導活性層都是[Fe2As2]層，因此設(shè)計包含此類二維層的化合物也是探索新超導體的捷徑。[Fe2As2]層具有一定“彈性”，能與多種二維層結(jié)合形成穩(wěn)定化合物。我們發(fā)現(xiàn)一類[Ti2As2O]層具有與

5、[Fe2As2]層相近的晶胞參數(shù)，并且他們都能與Ba2+結(jié)合，在此基礎(chǔ)上我們設(shè)計了一種新的晶體結(jié)構(gòu)，并且合成了Ba2Ti2Fe2As4O這個新的化合物。電磁測量結(jié)果表明，Ba2Ti2Fe2As4O是一個無需化學摻雜而由二維層之間電荷轉(zhuǎn)移引發(fā)的具有21K轉(zhuǎn)變溫度的鐵基超導體。在這之后，我們又通過自助熔方法成功生長了Ba2Ti2Fe2As4O單晶樣品并進一步研究了其超導性質(zhì)。
　　鉍硫系超導體是新近發(fā)現(xiàn)的一類包含[Bi2S4]層的二維

6、層狀材料。事實上[Bi2S4]層只是一類二維層[MnXn+2](M=Pb，Bi;X=S，Se，Te) n=2的特例，這意味著可以設(shè)計包含[MnXn+2]層的化合物以探索新的超導體。在考慮晶格匹配和電價平衡后，我們設(shè)計并成功合成了包含[La2O2]層和[Pb2Bi2S6]層的化合物LaPbBiS3O。物性研究表明LaPbBiS3O是一個窄帶半導體且具有良好的熱電性能。作為與LaBiS2O體系類似的鉍硫系超導母體，一定的化學摻雜很可能在La