具有不同维度FeCh (Ch = S, Se, Te)四面体结构单元铁基材料的探索和研究

Most of iron-based superconductors have a common structural feature, i.e., a quasi-two-dimensional (quasi-2D) edge-shared FePn (Pn = P, As) or FeCh (Ch = S, Se, Te) tetrahedron layer. This structural unit has a decisive influence on superconductivity. Recently, several iron-based materials with quasi-one-dimensional (quasi-1D) or three-dimensional FePn or FeCh structural unit have been discovered. They exhibit distinct physical properties from quasi-2D iron-based materials. It indicates that the dimensionality has important effects on electronic structure and physical properties. Moreover, BaFe2S3 which has a quasi-1D double chains of FeS tetrahedron shows superconductivity at high pressure. How to understand the exotic physical properties in these iron-based materials with different dimensionalities is the focus of current experimental and theoretical studies in this area. In this project, we will carry out systematic material exploration and study of physical properties on iron-based materials with various dimensionalities of structural units of FeCh tetrahedron. Based on experimental studies and theoretical analyses, we will try to reveal the relationship of dimensionality, physical properties, and electronic structure. These studies are expected to provide experimental basis for theoretical studies and shed light on the superconducting mechanisms of iron-based superconductors. Furthermore, they could also be reference for the research on exploration of novel iron-based materials.

大多数铁基超导体在结构上有一个共同的特点：存在准二维共边连接的FePn (Pn = P, As)或FeCh (Ch = S, Se, Te)四面体层。其对超导电性具有决定性的影响。最近一系列具有准一维或三维FePn或FeCh四面体结构单元的铁基材料被发现，他们展现出了与准二维铁基材料迥然不同的物性，这表明维度对于铁基材料的电子结构和物性有着重要的影响。而且具有准一维FeS四面体双链结构的BaFe2S3在高压下展现出了超导电性。如何理解这些具有不同维度的铁基材料所展现出的新奇物性是目前实验和理论研究的重点。本项目将对含有不同维度FeCh四面体结构单元的铁基材料开展系统的材料探索和物性研究。通过实验研究以及理论分析，试图揭示铁基材料维度-结构-物性-电子结构之间的关系，为相关理论研究提供实验依据，并为理解铁基超导体的超导机制提供线索，同时为探索具有奇异物性的新型铁基材料提供研究思路。

大多数铁基超导体在结构上有一个共同的特点：存在准二维共边连接的FePn (Pn = P, As)或FeCh (Ch = S, Se, Te)四面体层。其对超导电性具有决定性的影响。最近一系列具有准一维或三维FePn或FeCh四面体结构单元的铁基材料被发现，他们展现出了与准二维铁基材料迥然不同的物性，这表明维度对于铁基材料的电子结构和物性有着重要的影响。如何理解这些具有不同维度的铁基材料所展现出的新奇物性是目前实验和理论研究的重点。本项目对于含有不同维度FeCh四面体结构单元的铁基材料开展了系统的材料探索和物性研究，取得了以下一些重要研究结果：.(1) 成功生长了具有零维FeS4四面体结构的单晶材料Ba2BiFeS5单晶，并对其磁学和热学性质进行研究，这为探索其他具有零维FeCh4四面体结构材料提供了实验积累。.(2) 成功制备出两种新型的具有三维FeSe4四面体结构的多晶材料[K6Cl][Fe24Se26]和[Rb6Cl][Fe24Se26]，并对其结构、输运和磁性质进行了深入的研究，为寻找其他新型不同维度FeCh基材料提供了新的思路。.(3) 研究了具有二维FeSe4四面体结构的FeSe单晶中不同浓度Cu掺杂量对其物性的影响，并绘制了电子相图，深入讨论了微量Cu掺杂抑制FeSe超导电性并导致金属绝缘体转变的原因和微观机制，阐释了Cu掺杂的独特之处，为理解3d元素掺杂对于FeSe物性的影响以及超导典型与向列序之间的关系提供了重要的实验证据。.(4) 对具有准二维的层状化合物Fe5-xGeTe2单晶拓扑磁性的研究。发现在Fe5-xGeTe2中（反）麦韧链的生成与晶体结构、磁性和电子结构的变化之间存在强耦合，这揭示了范德华磁性材料Fe5-xGeTe2中存在多种自由度的竞争，探索发现新奇的低维磁性现象提供了研究平台。.这些研究结果促进了对于维度这一自由度对FeCh基材料结构和物性影响，以及与其中的晶格、电荷、自旋和轨道等自由度之间的相互作用的理解，为探索具有新奇物理性质的铁基材料提供了实验积累和思路，并为理论研究提供了实验证据，进而为理解铁基超导体的超导机理和探索新型超导材料提供了实验线索。