雙摻雜鐵基1111型超導(dǎo)體Nd-1

1、雙摻雜鐵基1111型超導(dǎo)體Nd論文導(dǎo)讀:：采用兩步固相反響法，在母相FeAs-1111結(jié)構(gòu)的NdFeAsO中摻入BaF2，實(shí)現(xiàn)電子與空穴的雙摻雜。該體系超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc)在3350 K范圍，取決于名義BaF2摻雜量x。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，摻雜量越大，轉(zhuǎn)變溫度越高，當(dāng)x= 0.2時(shí)，Tc到達(dá)50 K。磁電阻測量說明：高摻雜量樣品例如x= 0.2具有較高的上臨界場(Hc2)和不可逆場(Hirr)，其剩余電阻率(RRR)也較大。交流磁化率和磁化臨界電流密度研究說明，低磁場下磁通耗散在10-210-4秒時(shí)間窗口變化并不明顯，而高應(yīng)用磁場下其磁通釘扎力密度(Fp)對(duì)溫度依賴性強(qiáng)，中高溫區(qū)下降到小于10 MN

2、/m3。說明：高磁熱狀態(tài)下，當(dāng)前多晶體樣品的磁通釘扎性能有待提高。論文關(guān)鍵詞：鐵基超導(dǎo)，雙摻雜，臨界電流密度1. 引言2021年發(fā)現(xiàn)的新型鐵砷超導(dǎo)體LaFeAsO1-xFx【1】， 由于含有鐵磁性元素且具有較高的Tc，引起了各國凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)家的廣泛關(guān)注。近3年來這類鐵砷超導(dǎo)體得到了系統(tǒng)、廣泛的研究，在LnFeAsO1-yLn為稀土元素母體系列中，人們發(fā)現(xiàn)可通過不同種類的摻雜實(shí)現(xiàn)或提高超導(dǎo)性能。例如將母相中SmFeAsO1-xFx的O位進(jìn)行F摻雜，即獲得電子型摻雜，Tc到達(dá)55 K，為鐵基超導(dǎo)的最高值【2】。此外，還有空穴型摻雜的超導(dǎo)體，例如La1-xSrxFeAsO【3】，它的Tc為2

3、5 K。在這篇文章中，我們?cè)贜dFeAsO體系中將稀土位和氧位同時(shí)進(jìn)行元素?fù)诫s，化學(xué)計(jì)量為Nd1-xBaxFeAsO1-xFx，通過調(diào)制Ba或F對(duì)Nd或O的替代比值使兩種母體相的對(duì)稱性破卻呈現(xiàn)不同程度的調(diào)整，這里將Ba與F的比值定為1:2鐵基超導(dǎo)，即Nd1-xBaxFeAsO1-2xF2x，理論上這既是電子型又是空穴型的摻雜?？赏@樣的雙摻雜能產(chǎn)生更為豐富的超導(dǎo)和磁性行為。2. 實(shí)驗(yàn)方法多晶塊狀樣品，名義組分為Nd1-xBaxFeAsO1-2xF2x(其中x= 0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2)由固相反響法合成。首先，先驅(qū)物Fe2As，NdAs和FeO是由工業(yè)的粉末Nd (99.5

4、%), Fe (99.9%), As(99.999%) and Fe2O3 (99.9%)封裝在石英管中，緩慢加熱至600并保溫6 h，在加熱至850 并保溫12 h而成。再由這些先驅(qū)物分別參加不同配比參加一定量的BaF2粉末，在研缽中反復(fù)用研磨棒研磨并用刮片刮下壁上的粉末，充分研磨。除壓片，封管外，所有的操作均在充有氬氣的手套箱中進(jìn)行，其中的H2O和O2含量均小于0.1 ppm。將粉末進(jìn)行壓片，保壓一分鐘后，退模得到直徑為8 mm，高約3 mm的圓片，并快速將其封入沖真空的石英管中。為了保證足夠的加熱溫度，同時(shí)有注重合成效率，并防止加熱過程中樣品氟的揮發(fā)，選擇以230 /h的升溫速率至116

5、0 ，并僅保溫10 h，之后令爐箱自然冷卻。樣品的超導(dǎo)和磁傳輸性能由QD公司的PPMS物性測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，其最大磁場可加至9 T。磁性和傳輸特性是通過一系列加磁場的電阻溫度關(guān)系曲線，交直流磁化率來研究評(píng)估。其中樣品大致為矩形，尺寸為6*2*1 mm3，所加的場是沿著長的方向進(jìn)行。3. 結(jié)果討論圖一給出了Nd1-xBaxFeAsO1-2xF2x在一系列摻雜量的名義組分分別為x= 0.05，0.1，0.15，0.2時(shí)溫度電阻率依賴關(guān)系。摻雜量為0.5時(shí)，樣品還未出現(xiàn)超導(dǎo)，表達(dá)出與母相相似的SDW特性，在溫度為117 K時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)變，這比母相的相變點(diǎn)低，說明摻雜有效地抑制了SDW行為；當(dāng)摻雜量為0.

6、1時(shí)，開始進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，對(duì)于x= 0.1樣品，隨著溫度的降低，電阻率不斷下降，但是在超導(dǎo)之前出現(xiàn)了一個(gè)電阻率最小值圖中用箭頭示出，之后電阻率又有所上升，這種類似于半導(dǎo)體的行為可理解為SDW的記憶效應(yīng)，是隨摻雜量增加而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)的標(biāo)志，這在類似的報(bào)道中也有闡述NdFe1-xRhxAsO。圖二是x= 0.2樣品的歸一化后的Hirr及Hc2的磁熱相圖。其中定義在磁傳輸情況下，正常態(tài)溫度電阻的10%處為所加場下的不可逆場，90%處為所加場下的上臨界場，這種研究方法廣泛運(yùn)用于YBaCuO, MgB2,氟摻雜的LaFeAsO 和鍶摻雜的 PrFeAsO多晶樣品中 。為了研究摻雜量與不可逆場的關(guān)系，分別計(jì)算了

7、x= 0.1, 0.15, 0.2三個(gè)超導(dǎo)樣品的歸一化不可逆場在T(H)/Tc=0.9時(shí)的值，由插圖可見，隨著摻雜量增大，歸一化不可逆場迅速上升，說明了磁傳輸性能隨著摻雜量的上升而不斷改善。對(duì)于x= 0.2樣品，其溫度與不可逆場的依賴關(guān)系，用常規(guī)的擬合公式可以得出在絕對(duì)零度下不可逆場的值為146 T，常量值為 1.42，與YBaCuO 的研究結(jié)果得到的值很接近。 同時(shí)與上臨界場為70 T的Sr(Fe1-xCox)2As2-y的值也很接近，但是比磁通理論 所預(yù)言的值2要低一些。另外，通過Ginzburg-Landau公式擬合得到上臨界場的值為162.8 T，這與另一種常用的估算公式，Wertha

8、mer-HelfandHohenberg公式計(jì)算得到的值162.5 T十分吻合，誤差不到0.2%。上臨界場的值比1111型空穴型摻雜的Pr1-xSrxFeAsO和電子型摻雜的LaFeASO1-xFx 的值都要高，而比之后發(fā)現(xiàn)的42622型Sr4V2O6Fe2As2的值要低。鑒于x= 0.2樣品有較好的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變以及較高的不可逆場和上臨界磁場，下面就這一樣品的磁化和釘扎性能進(jìn)行研究。為了驗(yàn)證x= 0.2 樣品的Tc大小，又進(jìn)一步比擬了電傳輸和磁傳輸下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變行為。圖三a為低溫下的溫度電阻依賴關(guān)系，b圖為零場冷直流磁化率曲線，其Tc為49.2 K，根本與電傳輸下得到的轉(zhuǎn)變溫度值一致。圖四給出了x=

9、 0.2 樣品，在102104頻段內(nèi)，外加磁場為50 Oe時(shí)不同頻率下交流磁化率與溫度依賴的實(shí)部曲線。隨著頻率的逐漸增大，曲線略微向高溫處有所移動(dòng)，圖五的插圖顯示了放大后低溫區(qū)域下的偏移情況。但移動(dòng)幅度相對(duì)于頻率的變化而言很小。根據(jù)Mller 等，由磁通蠕動(dòng)模型鐵基超導(dǎo)，當(dāng)頻率增大，內(nèi)部晶粒穿透所需的弛豫時(shí)間必須降低，為了完全穿透，相應(yīng)的Fp就要下降，由于Fp隨溫度增大而減小，所以標(biāo)志耗散特征的虛部峰位就要向高溫處移動(dòng)。圖五給出了x= 0.2 樣品交流磁化率虛部曲線，在很大頻率范圍內(nèi)，峰位根本在同一溫度點(diǎn)上，說明了磁通蠕動(dòng)不明顯。這可能是由于樣品的顆粒較小，磁場很容易穿透，在變化的毫微秒(10

10、-210-4s)時(shí)間窗口內(nèi)耗散行為相似。圖六給出了x= 0.2樣品在不同溫度下磁通釘扎力密度對(duì)外磁場的低場依賴關(guān)系，由外加場-0.5 T另外在釘扎力密度對(duì)磁場依賴關(guān)系中出現(xiàn)一個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)于一個(gè)較低的場值。在低溫下峰位非常明顯，隨著溫度的上升，峰逐漸被抑制，在20 K以上根本觀察不到明顯的峰，這在銅氧化物超導(dǎo)體中未曾有過報(bào)道。首先，這個(gè)峰是由布拉格渦旋態(tài)下釘扎性能決定的，隨著溫度上升，進(jìn)入布拉格液態(tài)后釘扎力減弱，峰也漸漸消失。其次其位置與M-H曲線的非對(duì)稱性相關(guān)。這種不對(duì)稱的現(xiàn)象不僅在鐵基超導(dǎo)體的單晶 中發(fā)現(xiàn)，在其多晶樣品 中也很常見，這是否能是一種新的魚尾效應(yīng)還不確定，有待進(jìn)一步的研究。4.

11、結(jié)論采用兩步固相反響法首次制備了鐵基雙摻雜Nd1-xBaxFeAsO1-2xF2x超導(dǎo)樣品，名義組分分別為x= 0.05, 0.1, 0.15, 和 0.2。當(dāng)x= 0.1時(shí)進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)，摻雜量越大，轉(zhuǎn)變溫度越高，x= 0.2時(shí)Tc達(dá)50 K，磁傳輸測量說明，相應(yīng)的Hc2(0)，Hirr(0)，RRR也越高，超導(dǎo)和磁傳輸性能有效改善。雙摻雜的樣品不僅具有較高的Tc，交流磁化率和磁化臨界電流密度研究說明，低磁場下磁通耗散在毫-微秒時(shí)間窗口變化并不明顯，而高應(yīng)用磁場下其Fp對(duì)溫度依賴性強(qiáng)，中高溫區(qū)下降到幾 MN/m3，說明了高磁熱狀態(tài)下，當(dāng)前多晶體超導(dǎo)樣品的磁通釘扎性能有待提高。5. 致謝本工作在性

12、能測試中得到了中科院上海微系統(tǒng)所的謝曉明研究員、測試員汪鳴峰的大力幫助。在樣品制備中得到了硅酸鹽所黃富強(qiáng)研究員和方愛華博士研究生的指導(dǎo)和有益討論, 在數(shù)據(jù)處理分析中得到了上海大學(xué)物理系何小明同學(xué)的幫助，在此表示謝意。本工作由科技部973工程、863工程(973 Projects, No. 2021CBA00105,and 863 Projects, No. 2021AA03Z204),上海市科委(No. 10dz1203500), 中科院信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題和上海市重點(diǎn)學(xué)科(No. S30105)支持下完成，在此表示感謝。參考文獻(xiàn)【1】Y.Kamihara,T. Watanabe

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