单晶FeSe0.5Te0.5的各向异性超导性能外文翻译资料

 2023-03-14 06:03

本科毕业设计（论文）

外文翻译

单晶FeSe0.5Te0.5的各向异性超导性能

作者：M. Bendele, S. Weyeneth, R. Puzniak, A. Maisuradze, E. Pomjakushina, K. Conder, V. Pomjakushin, H. Luetkens, S. Katrych, A. Wisniewski, R. Khasanov, and H. Keller
国籍：瑞典、波兰

出处：PHYSICAL REVIEW B 81, 224520 (2010)

中文译文：

一、介绍

自从在LaFeAsO1minus;xFx中发现了超导性，据报道，温度Tc至56K的几种铁基超导体的La被其他镧系物(Ln)取代，包括Ce、Pr、Nd、Sm和Gd。同时，Fe家族-基超导体的范围从LnFeAsO1minus;xFx (所谓的“1111”家族)在AeFe2As2 (“122”，Ae=碱土金属)到更简单的LiFeAs “111”和FeCh (“11”，Ch=chalcogenide)。FeCh体系特别类似于FeAs基超导体，反映了这些化合物中As和硫原子的离子性质。最近，人们发现了两个更为复杂的家族：（Fe2As2）（Ae4M2O6）（“22426”，M=过渡金属）和（Fe2As2）（Ae3M2O5）（“22325”）系统。如果母体化合物还不是超导体，则可以通过在Fe层或间隔层中掺杂电荷载流子以及施加外部或内部压力来诱导超导性。

铁基超导体与高Tc铜氧化物具有一些共同的性质，如层状晶体结构、竞争有序的存在、低载流子密度、小相干长度和非传统的配对机制。另一方面，也存在一些差异：铁基超导体具有金属母体化合物，各向异性普遍低于铜氧化物，序参量对称性被认为是s波，费米表面嵌套起主要作用。因此，一个根本的问题出现了：高温超导体家族和高温超导体家族的超导机理是否有共同的起源。

在铁基超导体中，“11”体系引起了人们的广泛关注。FeSe1-x的转变温度Tc通过施加流体静压，x值达到37 K，通过用同价Te或S部分取代Se，x值达到14K。在FeSexTe1minus;x中，随着x的增加，FeTe的反铁磁顺序逐渐被抑制，其超导性在x≃0.5时达到最大Tc。此外，“11”系具有最简单的铁基超导体的晶体学结构，该超导体由一层由Ch配位的四面体Fe正方形平板构成。这和费米表面与FeAs基超导体的相似性使得“11”系统成为研究Fe基超导体中结构、磁性和超导电性相互作用的理想候选者。本文论述了用x射线和中子粉末衍射、超导量子干涉仪（SQUID）、转矩磁测和mu;子自旋旋转（mu;SR）研究了标称成分为FeSe0.5Te0.5的单晶的结构和各向异性超导性能。目前的部分结果与最近在FeSe0.5Te0.5多晶样品上进行的mu;SR研究结果一致。

二、实验细节

（一）单晶生长

采用Bridgman法生长了标称成分为FeSe0.5Te0.5的单晶，与Sales等人报道的方法相似。

将纯度最低为99.99%的适当量的Fe、Se和Te粉末混合在一起，压入一根直径为7mm的棒中，然后排空并密封在双层石英安瓿中进行空气保护。将安瓿放入具有温度梯度的垂直炉中并在1200°C下退火持续4小时，然后以4°C/h的速率冷却样品至750°C，快速冷却（50°C/h）至室温。这样得到的晶体很容易沿ab面（劈裂面）从生长的晶体中劈裂出来。

图1显示了在零场冷却（zfc）和场冷却（fc）模式下沿c轴施加的mu;0H=1mT磁场中磁矩m的低场测量。样品表现出明显的超导转变，起始转变温度为Tc≃14.6 K。在zfc模式下获得的信号幅度反映了样品的完整抗磁响应，计算的磁化率为T=0 K时chi;≃-1。密度rho;和退磁系数D分别估计为rho;=6.04g/cm3和Dasymp;0.55。注意，同一批次的样品已经观察到类似的结果。fc信号的低值表示强钉扎。

在偏振光显微镜下对晶体表面进行了抛光和形貌观察。图2(a)显示了垂直于解理面切割的晶体表面的显微照片，观察到不同晶向或不同相的不同畴。图2(b)显示了抛光的劈开面，此处未观察到方向不匹配。总之，材料中的主相是织构，c轴垂直于解理面，而a和b轴在不规则形状的区域内定向。

（二）晶体结构

使用配备有电荷耦合器件检测器（Xcalibur-PX，Oxford-Diffraction，样品检测器距离60mm）的单晶x射线衍射仪检查晶体结构和相纯度。在单晶x射线衍射研究中，从生长的晶体中切割出尺寸约为1times;1times;0.2mm3的微晶。单晶衍射图如图3所示。鉴定出两种不同的晶相。晶体的主相呈四方晶格[空间群：P4/nmm，晶格参数：a=3.7980(2)Aring;，c=6.038(1)Aring;]。重建的倒数空间部分的。研究板状晶体显示明显的马赛克蔓延与平均马赛克约4°，一小部分具有多边形结构的晶体呈现六方晶格结构，这与杂质相有关。

利用中子波长为lambda;n=1.494Aring;的高分辨率热中子粉末衍射仪（HRPT）（参考文献24），通过Paul Scherrer研究所（PSI，瑞士）中子散裂源SINQ处的中子粉末衍射（NPD0）完成了详细的晶体结构研究。在这些实验中，一部分标称成分为FeSe0.5Te0.5的晶体被切割、粉末化，并装入He手套箱中的样品架中，以保护粉末免受氧化。室温NPD实验表明，样品主要由PbO型四方相（空间群P4/nmm）组成，在低温下具有正交性和超导性。用FULLPROF程序（参考文献25）对NPD光谱进行Rietveld细化的结果如图4所示。对于细化，假设所有Fe位都被占据。此外，在粉末去极化过程中产生了小的板状晶粒，从而形成了择优取向。

结果表明，在相中，额外的过量Fe占据了间隙晶格位。然而，在细化数据时引入间隙铁原子并没有改善拟合。这表明仅存在极少量的此类缺陷，与同构FeSe1-x（参考文献28）中不存在间隙Fe的模型一致。这与检测到间隙铁原子的FeTe形成对比。

磁化测量证实了所研究晶体中存在杂质相Fe7Se8。图5显示了在平行于晶体c轴施加的1 T磁场中，FeSe0.5Te0.5晶体（质量～200mg）记录的磁矩的温度依赖性。已知Fe7Se8在130 K下经历自旋轴转变，导致平行于c轴的H磁化强度降低，如在研究样品中观察到的（图5）。

三、磁性

（一）磁化测量

利用商业量子设计的7-T磁性测量系统XL-SQUID磁强计，在2K～300K的温度范围内，在0T～7T的磁场中，采用往复式样品方案，对晶体的磁性进行了研究，利用商业量子设计的9-T物理性能测量系统（配备有磁转矩选项）进行磁转矩测量。

在质量约为200mg的晶体上测量了FeSe0.5Te0.5的磁化强度，fc模式下的磁矩与zfc模式下的磁矩相比，得出的Meissner分数估计在1mT内约为1%（图1）。这表明强烈的涡流钉扎与弱场相关和显著的临界电流密度一致，并且在磁转矩实验中显著的不可逆性已经稍微低于Tc（如稍后讨论的，图8）。利用Bean模型，通过测量磁滞回线可以估算出107A/m2的超导临界电流密度。杂质相的存在降低了输运电流密度，因为相分离边界阻止形成整体循环电流，这导致估计的临界电流密度的值相对较低，与在单晶中观察到的相比。

根据不同磁场下随温度变化的磁化测量结果，通过跟踪磁矩的zfc和fc分支合并的温度，导出了不可逆线Hirr(T)。Hirr(T)的推导不受所研究样品中Fe7Se8杂质的影响。尽管图5中的数据表明zfc和fc曲线仅在200 K以上合并，但由于探测超导不可逆性的温度范围未超过20K，因此该杂质效应不影响此处Tirr的测定。在Tc和最高应用温度之间的温度范围内，两种磁场配置下记录的所有磁场的zfc和fc曲线之间没有明显差异（插图见图6）。因此，研究样品中的附加相对不可逆温度测定的影响可以忽略不计。结果如图6所示，图中插图说明了平行于ab平面的5T磁场中Tirr的推导。数据分析采用幂律(1minus;T/Tc)n，n≃1.5，典型用于铜氧化物高温超导。不可逆线Hirr(T)位于相对较高的磁场中。有趣的是，在所研究的场范围内，H与ab平面平行的Hirr几乎重叠，与Fang等人报道的上临界场的值相同。

四、结论

用光学显微镜研究了标称成分为FeSe0.5Te0.5的单晶mu;SR，SQUID和转矩磁强计，中子粉末衍射。在室温下，晶体主要表现为PbO型四方相，在低温下变为正交和超导体，化学计量比细化为Fe1.045Se0.406Te0.594。起始转变温度为Tc=14.6K，在零温度下测定了两个晶体学方向的下临界场值，即(0)=2.0(2)mT和(0)=4.5(3)公吨。

通过mu;SR发现，对于FeSe0.5Te0.5，两个晶体学方向的磁穿透深度的温度依赖性最好地用两隙s s波模型来描述，磁穿透深度的温度值为零lambda;ab(0)=491(8)nm和lambda;c(0)=1320(14)nm，与最近获得的多晶样品的mu;SR结果一致。这种双能隙方案符合铁基高温超导多能隙超导电性的普遍观点。Evtushinsky等人指出，大多数铁基高温超导表现出两种间隙，一种是2△/kBTc=7(2)的大间隙，另一种是2.5(1.5)的小间隙。FeSe0.5Te0.5[2△S/kBTc=0.84(4)和2△L/kBTc=4.3(1)]的大间隙和小间隙的大小处于铁基高温超导的下限。此外，用mu;SR法测得的磁穿透深度各向异性参数gamma;lambda;与用Hc1法测得的参数ab在实验误差范围内。这两种技术都产生了与温度相关的gamma;lambda;，随着温度的降低，gamma;lambda;从Tc=14.6K时的1.6增加到T=1.6K时的2.6。与SmFeAsO0.8F0.2和NdFeAsO0.8F0.2相比，超导FeSe0.5Te0.5的各向同性要大得多，但与铁基超导体的“122”类相当。这表明11系统中Fe-Se层的直接电子耦合与“122”类超导体中通过中间Ae层的耦合相似，但比“1111”铁基系统中通过LnO层的耦合更有效。随着温度的降低，gamma;lambda;增大，电阻率测量确定的上临界场gamma;Hc2的各向异性参数减小。所观察到的行为类似于双能隙超导体MgB2和其他铁基超导体，也支持FeSe0.5Te0.5中的双能隙方案。然而，请注意，对于MgB2，gamma;lambda;(T)和gamma;Hc2(T)的斜率与铁基超导体相比，具有反向符号64，65。造成这种差异的原因尚不清楚。

最后，FeSe0.5Te0.5显示了双隙超导电性的证据，这反映在gamma;-2的温度依赖性以及两个不同的各向异性参数gamma;lambda;(T)和gamma;Hc2(T)的存在上。对于大多数铁基超导体来说，双能隙方案是适用的，这表明这种行为对于层状高温超导体来说是普遍的：铁基超导体的各种实验（参考文献80和其中的参考文献）有力地支持了这一点，对于MgB2来说，这一点已经得到了很好的证实，有确凿的证据表明铜氧化物中也存在双能隙超导电性。然而，这两类高温超导体中的超

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