一步自助熔劑法制備KxFe2-ySe2的超導電性研究

王小峰　梁明明　李平原　陳永亮　趙勇

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南　鄭州　450000；2.西南交通大學超導與新能源研究中心，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.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州450000；2.西南交通大學超導與新能源研究中心，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，其超導轉變溫度達到32.7K，由于一步自助熔劑法的燒結工藝提高了K、Fe和Se元素的分布均勻性，從而保證了較好的樣品品質以及合適的化學計量比。

KxFe2-ySe2；一步法；自助熔劑法；超導電性

2010年，中國科學院物理所的陳小龍課題組首度發現了一種新的鐵基122-型超導材料體系-KxFe2-ySe2，該材料在常壓下的超導臨界轉變溫度接近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體的單晶材料，其中熔劑為預先制備的FeSe粉末。在上述自助熔劑制備工藝中活潑性較強的K單質和前驅粉材料的影響，導致原料的化學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超導相的母體即是由Fe空位形成在ab面內的有序平行四邊形結構，該空位結構對超導的電磁特性都至關重要。為了進一步尋求更為簡單優化的制備工藝，采用一步自助熔劑法制備了KxFe2-ySe2單晶樣品，并對其晶體結構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充分研磨后壓片，然后與鉀單質按摩爾比為0.8∶1.0的比例進行混合燒結。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進行經熔融反應，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構及其相成分進行分析，采用美國量子設計公司的PPMS-9進行了電輸運和磁性的測試。

2　結果與分析

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的第二結構KaFebSec相，在其他課題組的報道中也出現了同樣的現象。該XRD測試的樣品取至塊狀樣品中分離出來的薄片結構，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轉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阻抗駝峰效的溫度區間在213K附近，樣品的零阻抗超導臨界溫度為32.7K。阻抗曲線中的超導轉變寬度可體現樣品的超導電性品質和材料均勻性，該寬度越小體現的樣品質量就越高。如圖2（b）樣品在外磁場強度為0Oe時，超導轉變寬度為4K，雖然在增加外磁場強度后超導轉變寬度有所展寬，但仍保持在較小的數值范圍，可見該樣品中構成超導相的Fe空位分布均勻。在圖2（b）所示的超導轉變區域附近，平行于c軸方向的外加磁場部分抑制了樣品的超導電性。同時，超導轉換溫度之前溫區范圍內的正常態阻抗在外磁場高達7T時仍無顯著變化，但伴隨外磁場的增強超導轉變逐漸受到抑制，超導轉變寬度逐漸增大。

圖3所示，樣品表現出典型的超導相磁滯回線，且超導磁性轉變溫度與零阻抗超導臨界溫度相同。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電性。

圖3　樣品的場冷和零場冷直流磁化強度曲線

3　結語

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

［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，研究實習員，研究方向：半導體器件；梁明明（1989-），男，碩士，研究實習員，研究方向：半導體器件（等同第一作者）。