铁基超导体的磁通动力学研究

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铁基超导体具有高的超导转变温度、金属特性、比铜氧化物稍大的相干长度、较小的各向异性等,这些特点便于电流通过晶界,有利于材料的实用化。这就需要我们深入地研究铁基超导材料的磁通动力学行为,为铁基超导材料的实用化提供必要的理论依据。因此,深入研究铁基超导材料的磁通动力学行为及其电导涨落效应,特别是搞清楚微结构(晶界,位错等)与铁基超导体的钉扎机制之间的关系具有重大的意义,因而成为了新的研究热点。本论文主要研究了BaFe1.9Ni0.1As2、Fe1.06Te0.6Se0.4、K0.78Fe1.75Se2等铁基超导单晶的磁通动力学行为,得到了BaFe1.9Ni0,1As2上临界场Hc2(θ),涡旋玻璃场Hg(θ),H*(θ)随磁场角度θ的变化关系(θ是单晶样品c轴和磁场H之间的夹角),并给出了H-T和H-θ的磁通相图,讨论了晶界对其钉扎机制的影响。另外,还研究了氧气退火对Fe1.06Te0.6Se0.4超导电性的影响和具有相分离存在的K0.78Fe1.75Se2电导涨落行为。论文内容分为五个章节,每个章节的主要内容概括如下:第一章首先介绍了不同体系的铁基超导体的晶体结构和超导相图,上临界场,不可逆场、钉扎势、临界电流密度、磁弛豫和电导涨落等磁通动力学行为,包括δTc和6l两种钉扎机制和磁通相图。另外,我们还介绍了不同退火条件对Fe1+yTe1-xSex单晶超导电性的影响。第二章中,我们通过测量不同角度θ下样品的面内电阻(θ是磁场H和单晶样品c之间的夹角),研究了BaFe1.9Ni0.1As2超导体的各向异性磁通动力学行为,得到了上临界场Hc2(θ),涡旋玻璃场Hg(θ),H*(θ)随角度θ的变化关系,并给出了H-T和H-θ的磁通相图。通过测量样品的磁滞回线M-H,用Bean模型计算出临界电流密度Jc,并用δTc和δl钉扎机制的公式对其进行了分析。分析结果表明,对于超导转变温度Tc=20.5K的没有明显缺陷(晶界)的高品质BaFe1.9Ni0.1As2单晶样品(S1),δTc钉扎占主导;而对于存在晶界的Tc=18.5K的单晶样品(S2),δTc和6l两种钉扎机制共存,说明钉扎机制与体系中的晶界等微结构密切相关。第三章中,研究了氧气退火对Fe1.06Te0.6Se0.4单晶的电阻、磁化率、霍尔系数和X-射线光电子能谱(XPS)的影响。研究发现,氧气退火后,样品的超导转变温度Tc、超导体积分数4πχ、上临界场Hc2和不可逆场Hire都显著提高,这种超导电性的提高与体系中空穴载流子浓度的提高,及其Fe,Te离子化合价的变化密切相关。此外,我们还通过测量不同角度θ下样品的面内电阻,研究了Fe1.06Te0.6Se0.4超导体的面间各向异性行为,得到了上临界场Hc2(θ)和不可逆场Hirr(θ)随角度θ的变化关系,并可以用各向异性的G-L理论对Hc2(θ)和Hirr(θ)进行标度。Hc2(θ)的标度结果表明在Tc值附近,Fe1.06Te0.6Se0.4的各向异性ε-3,而Htrr(θ的标度结果表明Fe1.06Te0.6Se0.4中随机分布的缺陷对磁通钉扎起主要作用。第四章,通过分析不同角度θ下的电阻展宽,利用Aslamazov-Larkin的顺电导理论,以及Ullah-Dorsey提出的关于临界涨落的理论系统研究了角度依赖的K0.75Fe1.75Se2和BaFe1.9Nio.1As2的临界电导涨落效应。对于存在相分离的K0.78Fe1.75Se2样品,我们发现当H//c时,其临界电导涨落△σ符合临界涨落的三维标度方程,电导涨落表现出三维特性,而Hllab时,电导涨落却表现出二维特性,特别是当外磁场H从c轴逐渐转到ab面时,K0.78Fe1.75Se2电导涨落行为逐渐从三维转变到二维,由此可以推知随着角度θ的增加,K0.78Fe1.75Se2中FeSe层间耦合逐渐减弱。这种超导维度随角度变化的现象可能与K0.75Fe1.75Se2中特有的相分离现象密切相关。此外,在不同温度和磁场下,临界电导涨落△σ的大小随着角度θ的增加而增加,随着温度T的增加而减小。而对于没有相分离的BaFe1.9Ni0.1As2样品,其电导涨落行为只表现出三维特性,且不随角度θ的增加而发生超导电性维度的变化。第五章,研究了Ko.78Fe1.75Se2,FeTe0.6Se0.4和BaFe1.9Ni0.1As2的磁化强度M随时间t的变化的磁弛豫行为,得到了钉扎势U0、约化弛豫率Sn随温度T和磁场H的变化关系。对于没有鱼尾峰的铁硒超导体K0.78Fe1.75Se2和FeTe0.6Se0.4,钉扎势U0随温度T和磁场H的增加逐渐减小,而约化弛豫率S随温度T和磁场H的增加而增加;对于有鱼尾峰的BaFe1.9Nio.1As2,研究发现钉扎势U0随温度T和磁场H的增加先逐渐增加,后减小,在特定位置出现极大值,而约化弛豫率S随温度T和磁场H的增加,先逐渐减小后增加,在特定位置出现极小值。结果表明BaFe1.9Nio.1As2中的鱼尾峰效应与约化弛豫率和钉扎势随温度和磁场的变化关系密切相关。
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