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中国科学院物理研究所 SC4组供稿 第42期 2015年09月30日
北京凝聚态物理国家实验室
铁基高温超导体系 (Li1-xFex)OHFe1-ySe 研究新进展: 大尺寸单晶离子交换合成、电子相图和高度二维电子特性
  铁基超导家族中的两个亚族,分别以结构类似的 FeSe4 和 FeAs4 四面体层作为各自的超导基元。然而典型的 FeSe 基超导体 AyFe2-xSe2(A=碱金属离子)母体相和正常态的实验表现,却与 FeAs 基体系迥异,导致质疑这两大铁基体系的高温超导电性是否有共同物理起源。澄清这一问题对探讨各类高温超导体物理机制意义重大。但实验上困难在于,在 AyFe2-xSe2 中反铁磁绝缘 245 相往往与超导相共生,以致妨碍对本征物性的观测。2014年 FeSe 基新高温超导体 Li0.8Fe0.2OHFeSe 报道后,相关实验研究出现转机。
  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导国家重点实验室 SC4 组的董晓莉研究员,与 SC2 组金魁及清华大学张广铭教授合作,在新高温超导体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 研究中取得以下重要进展。
  基于水热合成的一系列粉末样品,首次建立的高 TC 体系 Li1-xFexOHFe1-ySe 完整相图表明,无论是反铁磁 SDW 相区还是超导相区,其物性特征均与 FeAs 基体系极为相像。实验结果揭示 FeSe 基和 FeAs 基高温超导体实际上具有相似的电子相互作用背景,因此它们的高温超导电性具有共同物理机制。相关结果发表在 JACS 137, 66(2015)。
  成功应用离子交换技术,首次合成大尺寸、高质量 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 超导单晶(TC = 42 K,尺寸大于 10 mm),且该材料不存在困扰实验观测的 245 相。单晶样品的突破使揭示其高度二维本征电子性质成为可能。实验发现,在特征温度 T* (=120 K) 之下的正常态,呈现反常的磁化及电阻的线性温度依赖以及高度二维的电子输运;在超导态,上临界场具有强各向异性。Hall 系数显示电子型载流子主导电荷输运,空穴型载流子的贡献在 T* 以下极度减弱。实验表明其超导电子配对很可能与二维反铁磁自旋涨落相关。类似的反铁磁涨落特征也常见于 FeAs 基和铜氧化物高温超导体。对比不同类型 FeSe 基超导体,可见超导临界温度越高的体系其晶体和电子结构的二维性越强;尤其是高 TC 和高度二维的 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se 单晶极其相似于 SrTiO3 衬底上 FeSe 单层膜界面超导体 (TC 高达 ~65 K)。因此,二维电子相互作用对于高温超导电性至关重要。相关结果作为 Editors’ Suggestion 发表在 PRB 92, 064515 (2015)。
  上述工作主要合作者还有:赵忠贤院士、周放研究员 (SC4组) 和袁洁 (SC2组) ;承担相关实验的SC4组博士生有:周花雪、苑冬娜、黄裕龙和毛义元;负责相关物性测定的合作者有:A06 组杨槐馨研究员(电镜)、北京大学孙俊良研究员(单晶结构精修)和EX1 组郑萍副研究员(高温磁性)。上述工作得到国家自然科学基金委、科技部相关项目和中国科学院B类先导项目的资助。
  近期已发表的相关文章:Dong, X.L. et al., J. Am. Chem.Soc.137, 66(2015); Dong, X.L. et al., Physical Review B 92, 064515 (2015) (Editors’ Suggestion)。
图1. Li1-xFexOHFe1-ySe 体系相图及微结构特征
Fig. 1. Phase diagram of Li1-xFexOHFe1-ySe system and its micro-structure features
图2. 经水热离子交换反应后,K2Fe4Se5 (245相) 绝缘母体晶体衍变生成 (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se超导单晶,晶体结构特征相应变化。
Fig. 2. Via a hydrothermal ion-exchange reaction, the insulating matrix crystal K2Fe4Se5 (245 phase) is derived into the superconducting single crystal (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se, with corresponding changes in the structural features.
图3. (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98S超导单晶电阻、霍尔系数和磁化率的温度依赖关系,呈现一个共同的特征温度T*=120 K。
Fig. 3. The temperature dependences of resistivity, Hall coefficient and susceptibility for superconducting single crystal (Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se, showing a common characteristic temperature of T*=120 K.
下载附件>> DONG XL 2015_PhysRevB.92.064515_Editors Suggestion.pdf
下载附件>> DongXL_2015_JACS.pdf
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