一步自助熔劑法制備KxFe2-ySe2的超導(dǎo)電性研究

王小峰　梁明明　李平原　陳永亮　趙勇

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南　鄭州　450000；2.西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究中心，四川　成都　610000）

一步自助熔劑法制備KxFe2-ySe2的超導(dǎo)電性研究

王小峰1梁明明1李平原2陳永亮2趙勇2

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450000；2.西南交通大學(xué)超導(dǎo)與新能源研究中心，四川成都610000）

本文研究了采用一步自助熔劑法制備KxFe2-ySe2單晶樣品，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達到32.7K，由于一步自助熔劑法的燒結(jié)工藝提高了K、Fe和Se元素的分布均勻性，從而保證了較好的樣品品質(zhì)以及合適的化學(xué)計量比。

KxFe2-ySe2；一步法；自助熔劑法；超導(dǎo)電性

2010年，中國科學(xué)院物理所的陳小龍課題組首度發(fā)現(xiàn)了一種新的鐵基122-型超導(dǎo)材料體系-KxFe2-ySe2，該材料在常壓下的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度接近32K［1］。KxFe2-ySe2具有原料無毒、易形成單晶、較高的臨界磁場等特點［2］。陳小龍課題組采用自助熔劑法制備了該新型鐵基超導(dǎo)體的單晶材料，其中熔劑為預(yù)先制備的FeSe粉末。在上述自助熔劑制備工藝中活潑性較強的K單質(zhì)和前驅(qū)粉材料的影響，導(dǎo)致原料的化學(xué)計量比例與最終獲得的單晶原子比之間有一定差異［3］。而且，KxFe2-ySe2超導(dǎo)相的母體即是由Fe空位形成在ab面內(nèi)的有序平行四邊形結(jié)構(gòu)，該空位結(jié)構(gòu)對超導(dǎo)的電磁特性都至關(guān)重要。為了進一步尋求更為簡單優(yōu)化的制備工藝，采用一步自助熔劑法制備了KxFe2-ySe2單晶樣品，并對其晶體結(jié)構(gòu)及物性進行了測試分析。

1　試驗過程

將鐵∶錫摩爾比為1∶1的高純鐵粉和高純硒粉混合經(jīng)充分研磨后壓片，然后與鉀單質(zhì)按摩爾比為0.8∶1.0的比例進行混合燒結(jié)。為了避免空氣對原料的影響，將材料密封于真空石英管，采用管式爐以103℃/h的升溫速率加熱到1 030℃，并于該溫度下保持4h進行經(jīng)熔融反應(yīng)，然后以-5℃/h的速度降溫到750℃，最后隨爐冷卻。本文采用X射線衍射儀對樣品的晶體結(jié)構(gòu)及其相成分進行分析，采用美國量子設(shè)計公司的PPMS-9進行了電輸運和磁性的測試。

2　結(jié)果與分析

圖1給出了制備的KxFe2-ySe2單晶X射線衍射圖譜，圖譜顯示樣品的主相衍射峰為I4/mmm空間群，且圖中相對強度較大的主要衍射峰均屬于（00l）系列，該結(jié)果表明樣品的晶體生長方向主要為c軸方向。同時，除了KxFe2-ySe2相的衍射峰外，還存在另一系列的衍射峰，屬于另外具有不同晶格參數(shù)的第二結(jié)構(gòu)KaFebSec相，在其他課題組的報道中也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。該XRD測試的樣品取至塊狀樣品中分離出來的薄片結(jié)構(gòu)，由于樣品具有較好的c軸取向，因此極易分離出表面平整光亮的片狀樣品，長度為7mm左右，如圖1中插圖所示。

圖1　KxFe2-ySe2單晶的X射線衍射圖譜

圖2　樣品的相對阻抗值（R/R300k）隨溫度變化的曲線（a）和不同磁場下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變阻抗變化曲線放大圖（b）

圖2（a）為零磁場下的相對阻抗曲線，可以看到單晶樣品出現(xiàn)阻抗駝峰效的溫度區(qū)間在213K附近，樣品的零阻抗超導(dǎo)臨界溫度為32.7K。阻抗曲線中的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度可體現(xiàn)樣品的超導(dǎo)電性品質(zhì)和材料均勻性，該寬度越小體現(xiàn)的樣品質(zhì)量就越高。如圖2（b）樣品在外磁場強度為0Oe時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度為4K，雖然在增加外磁場強度后超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度有所展寬，但仍保持在較小的數(shù)值范圍，可見該樣品中構(gòu)成超導(dǎo)相的Fe空位分布均勻。在圖2（b）所示的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變區(qū)域附近，平行于c軸方向的外加磁場部分抑制了樣品的超導(dǎo)電性。同時，超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度之前溫區(qū)范圍內(nèi)的正常態(tài)阻抗在外磁場高達7T時仍無顯著變化，但伴隨外磁場的增強超導(dǎo)轉(zhuǎn)變逐漸受到抑制，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度逐漸增大。

圖3所示，樣品表現(xiàn)出典型的超導(dǎo)相磁滯回線，且超導(dǎo)磁性轉(zhuǎn)變溫度與零阻抗超導(dǎo)臨界溫度相同。磁化強度值較大且磁滯回線間隙相對較寬，表明該方法制備的樣品具有較強的超導(dǎo)電性。

圖3　樣品的場冷和零場冷直流磁化強度曲線

3　結(jié)語

通過一步自助熔劑法制備了KxFe2-ySe2單晶樣品，KxFe2-ySe2超導(dǎo)相的母體即是由Fe空位形成在ab面內(nèi)的有序平行四邊形結(jié)構(gòu)，該空位結(jié)構(gòu)對超導(dǎo)的電磁特性都至關(guān)重要，F(xiàn)e空位分布的不均勻性必然導(dǎo)致超導(dǎo)電性受到抑制。試驗結(jié)果表明，采用一步自助熔劑法的燒結(jié)工藝提高了K、Fe和Se元素的分布均勻性，從而保證了較好的樣品品質(zhì)以及合適的化學(xué)計量比。

［1］J Guo，S Jin，G Wang，et al.Superconductivity in the iron selenide KxFe2Se2（0≤x≤1.0）［J］.Phys.Rev.B，2010（18）：180520.

［2］Y Mizuguchi，H Takeya，Y Kawasaki，et al.Transport properties of the new Fe-based superconductor KxFe2Se2（Tc=33 K）［J］. Appl.Phys.Lett.，2011（4）：42511-42513.

［3］AL Ivanovskii.New ternary ThCr2Si2-type iron-selenide superconducting materials:Synthesis，properties and simulations［J］.Physica.C，2011（13-14）：409-427.

Research of KxFe2-ySe2Superconductivity Prepared by One-step Self-flux Method

Wang Xiaofeng1Liang Mingming1Li Pingyuan2Chen Yongliang2Zhao Yong2
（1.Patent Examination Cooperation Center of the Patent office，SIPO，Henan，Zhengzhou Henan 450000；2.Superconductivity and New energy R&D Center Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610000）

KxFe2-ySe2single-crystal sample were prepared with a one-step self-flux method，and the Tc was 32.7K. With this method，the homogeneous of sample was ensured，therefore the sample has a good superconductivity and stoichiometric ratio.

KxFe2-ySe2；one-step；self-flux；superconductivity

O511

A

1003-5168（2016）06-0142-02

2016-05-15

王小峰（1990-），男，碩士，研究實習(xí)員，研究方向：半導(dǎo)體器件；梁明明（1989-），男，碩士，研究實習(xí)員，研究方向：半導(dǎo)體器件（等同第一作者）。