几种层状硫族化合物的结构与物性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:WANGZHHUO
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本论文主要对几种层状硫族化物进行制备和物性表征。对过渡族金属硫族化物进行插层,主要研究对其结构和超导电性的影响;探索新型主族金属层状硫族化物,得到潜在超导母体。本论文得到的主要研究结果如下。首先,采用超声化学方法,将碱金属Na分别与乙二胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺和二甲基乙二胺有机分子共同插层到FeSe层间,得到四种高质量纯相的新型Fe基超导体。四种超导体具有不同的晶体学对称性,其超导转变温度(Tc)都在46 K附近,表明插层的有机分子对于FeSe基超导体的Tc影响不大。依据中子粉末衍射数据确定Na0.39(C2N2H80.77Fe2Se2的晶体结构,FeSe层被压缩且插层的有机分子存在多重取向无序。不同于NH3分子和金属共插层FeSe的化合物,原位X射线衍射和核磁共振的结果表明,只有碱金属易从Na0.39(C2N2H80.77Fe2Se2中发生脱嵌,得到无载流子注入的(C2N2H8)Fe2Se2插层化合物,并伴随着超导电性的消失。我们的结果有助于加深对于FeSe基超导体结构稳定性、掺杂水平和温度驱动的结构相变的理解,而这种有效的合成方法也为探索新型超导体提供了可能。其次,我们发现在室温下Na0.35(C3N2H10)0.426Fe2Se2具有较大的正交畸变,并且没有磁有序,在FeSe层之间“向列的”有序排列的1,3-丙二胺分子使该化合物的向列相稳定存在。即使在低温下其正交畸变比β-FeSe和大多数的FeAs基超导体大很多,却具有46.5 K的Tc。第一性原理计算表明该“人造的”正交畸变对于能带结构具有选择性的影响,在第一布里渊区内的Г点和M点附近Fe的3dxz和3dyz轨道表现出不同的劈裂情况。我们的结果强烈支持,至少在高Tc的FeSe基超导体中,向列相与超导电性的出现无关。随后,我们采用固相合成的方法,得到一系列Rb插层NbSe2化合物的晶体结构和超导电性。结构上,随着Rb插层量的增加,RbxNbSe2发生从0≤x≤0.025的2H相(空间群为P63/mmc),到x0.2的6R相(空间群为R-3m),最终到0.375≤x≤0.5的2H相(空间群为P63/mmc)的结构演化。此外,将6R相在750K退火,形成另外一个罕见的6H相(空间群为P63/mmc)。值得注意的是,6R和6H相都是首次在金属插层的NbSe2中获得。根据上述结果,建立RbxNbSe2(0≤x≤0.5)的相图。物性上,RbxNbSe2在0-0.025的范围内为超导相,其Tc以一种L型的方式,从x=0的7.2 K下降为x=0.025的4.2 K。其Tc的下降速率类似于磁性Fe插层的下降速率,大于Cu、Ga和Li插层的下降速率。建立Rbx NbSe2(0≤x≤0.025)的超导相图,并与Lix NbSe2、CuxNbSe2、FexNbSe2和Gax NbSe2的超导性质进行比较。经过讨论发现,NbSe2超导电性的抑制与插层元素的离子半径、价态以及磁性有关。RbxNbSe2在0.2-0.5的成分范围内都表现为顺磁性,电学性质都类似于金属,在2 K以上没有观察到超导电性。最后,设计并合成两种新型BiS基层状化合物:Bi5O4S3Cl和Bi3O2S2Cl。Bi5O4S3Cl中存在罕见的BiS3层状结构单元,Bi与S为六配位。低温下,Bi5O4S3Cl和Bi3O2S2Cl的电阻率都存在类似超导转变的明显下降,表明两者为潜在的超导母体。第一性原理计算表明,Bi5O4S3Cl具有0.344 eV的带隙,向其引入一定量的S空位,注入载流子,其从半导体转变为金属。对Bi5O4S3Cl的Bi位掺Pb,注入载流子,Tc和超导相体积含量都明显提高。Bi5O4S3Cl和Bi3O2S2Cl为探索新型BiCh基层状超导体提供了可能。
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