氮气氛退火对Fe1125Te晶格和物性的影响

晶格和物性的影响李予江，严方舟，唐为华**作者简介：李予江（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：超导合金材料通信联系人：唐为华（1965-），男，教授，主要研究方向：长期从事新型光电子学材料与器件方面的物理问题、制备与集成关键技术研究，开展固态低维小尺度系统中的光、电、磁的交织效应与性能调控机制研究，探索新原理，新材料与新器件.E-mail:[e-mail]（北京邮电大学理学院，北京100876）5摘要：利用固态反应法合成了Fe1.125Te的合金,X射线粉末衍射分析表明样品主相为四方Cu2Sb型结构Fe1.125Te相,空间群为P4/nmm,晶格常数a=3.8231Å，c=6.2808Å.扫描电子显微镜观察样品形貌为层状,能量色散X射线光谱仪分析证实样品实际成分接近配比成分.将合成得到的母体合金，分别在不同温度和不同压强的氮气环境下退火,研究氮气对Fe1.125Te晶格结构和物理性质的影响.结果表明,Fe1.125Te合金在400℃至600℃氮气环境下退火后,10它的晶格常数a和c值都有所增长,600℃退火后单胞体积膨胀0.7%,800℃以上退火晶格又收缩接近母体相晶格.热磁曲线测量表明,600℃温度下氮气氛和真空条件下退火样品都在128K处出现磁性转变,而900℃温度下氮气氛和真空条件下退火后的样品,都出现台阶状的热磁曲线,对应于两个磁性转变,真空条件下两个转变温度分别为122K和128K,氮气氛下分别为122K和138K.氮气氛下550℃和900℃温度退火样品的电阻随温度变化曲线都在69K出现半15导体到金属转变,在5K时仍没有出现超导转变.。关键词：FeTe;晶体结构;物性中图分类号：[O511+.3Effectsofnitrogenonthelatticeandthephysicalproperties20ofFe1.125TealloysLIYujiang,YANFangzhou,TANGWeihua(SchoolofScience,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing,100876)Abstract:Fe1.125Tealloyhasbeensynthesizedbysolidstatereactionmethod.ItcrystallizesinCu2Sb-typestructurewithlatticeconstantsofa=3.8231Åandc=6.2808Å,itsspacegroupis25P/4nmm.ThecompositionofthealloyisconfirmedbyEnergydispersiveX-rayspectrometer.TheeffectofnitrogenonFe1.125Telatticestructureandphysicalpropertieshavebeenstudied.Sampleswereannealedindifferenttemperatureanddifferentpressurerespectively.Itisfoundthatthelatticeconstantaandcincreasedafterannealingattemperature400℃~600℃，theexpansionratiooftheunitcellvolumeisabout0.7%afterannealingat600℃.Whenthetemperatureis30above800℃,thesizeofthelatticecontractstothesimilarsizeofmatrixsample.Themagnetic-thermalcurvesshowamagnetictransitionat128Kafterannealingat600℃inN2atmosphereandvacuum.Thestep-likemagnetic-thermalcurvescorrespondingtotwomagnetictransitionswereobservedwhenannealingat900℃.Thetransitiontemperaturesinvacuumare122Kand128K,while122Kand138Kinthenitrogen.Theresistance-temperaturecurvesindicate35asemiconductortometaltransitionaround69KforN2atmosphereannealingat550℃and900℃respectively,nosuperconductingtransitionisobserveddownto5K.Keywords:FeTe,Crystalstructure,physicalproperties0引言40LaOFeP铁基超导体的发现[1]吸引了越来越多的研究者的目光,使得铁基超导体成为目前超导研究的热点[2-7].随着近来铁基超导体研究的深入,发现四方结构11相的铁硫族(Fe1+xSe,Fe1+xTe)的晶格结构最为简单,Fe-Se(Te)层与Fe-As层相似为共边四面体结构,延c中国科技论文在线轴方向叠加.这一共同结构特征可能与超导电性之间存在某种关联,因此具有相似结构的这类化合物有可能成为探索新型超导体的一个新的平台.45Hsu等人[8]在四方FeSe体系中首先发现Tc为8K的超导转变,之后Medvedev等人在8.9GPa的高压下发现超导转变温度增长至36.7K[9].Subedi等[10]对铁硫族(FeS,FeSe,FeTe)进行了密度泛函计算,分析了他们的电子结构,费米面,磁性以及超导性能,表明FeTe具有更强的自旋涨落,并且预测FeTe具有比FeSe更高的超导转变温度.Fe1+xTe也是PbO型的四方结构,多余的铁占据Te平面附加的Fe(2)晶位[11],就像Li在LiFeAs中的占位一样[12].x的取值50可由样品制备时的化学计量配比来决定,这些多余的Fe原子对Fe1+xTe的晶格结构有显著的影响.张立军等人[13]也通过对Fe1+xTe进行密度泛函计算说明了多余的Fe原子作为一个电子供体,具有约为2.4µB的磁矩,与FeTe层的Fe原子相互耦合作用.W.Bao等人[14]证明了多余Fe原子浓度的不同也会改变反铁磁有序的温度.ZhijunXu等人[15]又在Fe1+δSexTe1−x系列化合物中证明多余的Fe与超导抑制性相关联.事实上尽管FeTe与FeSe有相似的晶体结构,但55是到目前为止无论在常压下[14,16,17]还是在高压下[18]都没有在块状FeTe材料中发现超导电性.然而,Han等人[19]分别在LSAT、MgO、SrTiO3和LaAlO3衬底上生长获得FeTe单相外延薄膜,获得起始转变温度为13.0K超导电性,可见衬底与FeTe晶格的失配而产生的张应力使得FeTe晶格扩张,这对于FeTe薄膜的超导电性至关重要.综上所述,FeTe晶格中Fe(2)晶位存在着大量空位;FeTe晶格的变化影响其磁性与电子输运性能.据此,我们以Fe1.125Te为母体,60通过氮气环境下退火,研究氮原子进入Fe1.125Te晶格后,对Fe1.125Te的电学磁学性能的影响.1实验首先利用固态反应法制备了主体为Fe1.125Te的合金样品,作为后续实验的母体.实验中采用高纯的Fe粉(99.98%)和Te粉(99.999%),按化学计量配比称量,混合研磨均匀,之后压成直径7mm的小片,真空封装在石英管内,真空度约为5×10-4Pa.将封好的石英管放置于电炉内经过6536h升温至860℃,保温12h,淬火.制备的Fe1.125Te合金样品经过X射线粉末衍射（XRD）分析表明主相为四方晶系Fe1.125Te,精修得到的晶格常数a=3.8231Å,c=6.2808Å.将已经制备好的Fe1.125Te合金样品分成若干份,分别放入石英管中,抽真空（约为5×10-4Pa）,再充入氮气至气压为0.8×105Pa之后封管(实验中已证明气压在0.5×105Pa~0.9×105Pa区间内对样品无影响),再分别在不同的温度下不同的时间退火处理.样品采用Cu靶（Kα1=1.5405Å）XRD分析,扫描70范围2θ为10º~120º,采用标准四点法测量Fe1.125Te合金的电阻-温度曲线,使用综合物性测量系统(PPMS)系统测量获得磁热曲线.2结果和讨论2.1XRD分析每个处理后的样品都经过X射线粉末衍射测量分析,通过晶格参数精修,获得不同温度退75火后的晶格常数.XRD粉末衍射图谱的峰位会随着退火温度的不同有少许的变化,图1是0.8×105Pa氮气氛下母体样品和550℃、600℃、850℃、900℃退火样品的XRD图谱对比图.图1(a)中2θ角度范围取10º~70º,图1(b)中2θ角度范围取48.8º~50.4º.在图1(b)中可以看出,从550℃退火开始往上,样品的峰位都有微弱的向左偏移,尤其以600℃退火的样品峰位偏移量最大,说明很有可能是存在氮原子掺杂,使晶胞参数变大,晶面间距变大.80(103)(203)(104)(004)(211)(111)(002)(102)(101)(103)(200)(112)(003)(001)(110)Intensity/(a.u.)2Theta/(deg.)母体550℃600℃850℃900℃a4950图1(a)Fe1.125Te合金在N2气氛不同温度下退火样品的XRD图谱;(b)(200)、(103)谱线局部放大图表1Fe1.125Te的晶格常数AnnelingT/℃a/Åc/Åc/aV/Å3母体3.82316.28081.642991.805503.82546.29431.645492.116003.83266.29591.642792.488503.82216.28591.644691.839003.82596.28021.641591.92表1列出不同退火条件下精修所得的晶格常数.从表1中可以看出:样品在550℃至600℃85氮气氛下退火后,它的晶格常数a和c值均有所增长.600℃退火后a、c增长最大,单胞体积膨胀0.7%,说明N进入晶格.800℃以上退火晶格又收缩接近母体相晶格,表明进入晶格的N有可能在高温退火下逸出晶格.我们还发现c/a的值始终稳定在一定的范围内,说明N对晶格的影响基本是各向同性的.图2是扫描电子显微镜(SEM)扫描图片及EDX分析图片,从图2(a)可以观察到样品形貌90为层状.图2(b)是能量色散X射线光谱仪(EDX)分析图片,证实样品实际成分接近1.1:1.图2(a)Fe1.125Te合金SEM电镜扫描图片;(b)EDX分析图片图3是母体样品在100.0ml/min的氮气气流下随温度（0℃~700℃）的变化其质量和热流曲线的变化.图中绿色曲线是母体样品的热重曲线,可以观察到当温度升到560℃附近的时95候,母体样品的质量增大到最大值39.8µg,之后随着温度增大样品质量开始下降,当温度大于℃时可以从图中看到质量开始急剧下降.这与XRD精修结果相吻合,当退火温度大于600℃时,晶格又收缩接近母体相晶格.图中蓝色曲线是样品的热流曲线,可以看到样品在升温过程中总体处于吸热状态,在527℃有一个小的放热.10001002003004005006007009.59.69.79.89.9℃HeatFlow/(mW)Weight/(mg)T/()39.8g527℃-10010203040图3Fe1.125Te