铁硫族化合物FeX(X=Se,Te,S)亚稳物相的合成与缺陷研究

The iron-based superconductors are the recently discovered high-temperature superconducting materials. Among them, FeSe-based superconductors with the simple structure have been considered to be the important system for exploring the mechanism of high-temperature superconductivity. However, since influencing mechanism of the intrinsic defect on properties in nonstoichiometry iron chalcogenides is unknown, in depth investigation on the superconducting mechanism has been prevented. Based on our extensive experience in preparation and thermodynamic analysis of inorganic materials, our project intent to synthesis the metastable stoichiometric iron chalcogenides FeX(X=Se,Te,S). The influencing mechanism of different defects on structure and physical properties of iron chalcogenides is intented to be obtained, which is beneficial for revealing the mechanism of FeSe-based superconductor. The intrinsic defect which is leading to superconductivity is clarified, and we intent to induce superconductivity in FeS and FeTe by adjusting the defects, providing the Route to find the new iron-based superconductors.

铁基超导体是近年来发现的重要高温超导材料。其中由铁硫族化合物构成的铁硒基超导体系因其简单的结构而成为探索铁基高温超导机理的重要实验对象。然而由于对铁硫族非整比化合物中本征缺陷对物性的影响机制不明，使得人们对该体系超导机理的探索工作难以进行。本项目以探明铁硫族化合物中本征缺陷对结构和物性的影响机制为研究目标，充分利用我们在无机材料制备和热力学分析方面的丰富经验，使用化学合成法在低温条件下制备亚稳态的1:1铁硫族整比化合物FeX(X=Se,Te,S)，之后在其中引入不同缺陷，通过分析引入前后物性的差异研究缺陷种类、浓度等因素对体系结构、元素价态、热稳定性、超导电性和磁性等性质的影响机制，得到能够诱导出超导电性的缺陷条件，探索铁硒基超导体系的超导机理。进而尝试在整比的FeS和FeTe中通过调节缺陷诱导出超导电性，寻找新型的铁基超导体。

铁硫族层状化合物体系是近年来被发现的一类重要超导化合物家族，其表现出的独特电磁性质和电子结构使其成为国际上材料研究领域的热点之一。与铁砷化合物不同，铁硫族化合物在化学式上普遍存在非整比性，其结构中往往存在如空位和间隙原子等点缺陷。这些缺陷虽然含量较小，但对整个材料的电磁性能起到重要的调制作用，理解这些缺陷对材料物性的调制机理对理解铁硫族化合物超导机制和结构物性关联至关重要。本项目以铁硫基层状化合物家族为研究对象，通过多种手段调节体系中的点缺陷种类和含量，得到了一系列铁硫族层状新材料，同时系统分析各类缺陷对晶体结构和电子结构的影响，进而理解其物性的相应变化。通过水热脱钾的方法以K2Fe4S5为前驱体制备得到了Fe1-xS单晶样品，发现其中Fe空位浓度可以在0至0.1（10%）之间调节。物性分析发现Fe空位的出现抑制了FeS的超导电性，同时使材料发生金属绝缘体转变。同时我们通过超声辅助插层法得到了碱金属K和乙二胺分子共插层的新材料Kx(C2H8N2)yFe2-zS2。通过化学成分分析发现，随着阳离子K+的插入，原FeS层中的Fe被脱出，形成无序铁空位，使得FeS基插层相超导电性消失。另外我们还成功制备了新型层状碲化合物KFeCuTe2，通过结构解析和物性测试发现碱金属K作为载流子库层插入物性层间的同时将母体化合物Fe1+xCuTe2中的间隙Fe脱出，其磁结构由原本的自旋玻璃转变为反铁磁。此外我们还通过不同温度下的退火处理对FeTeSe超导固溶体中的间隙铁原子进行了调控，同时系统研究了Fe(Te,Se,S)三元硫族元素体系和K-Fe-Se三元超导体系的相关系和超导电性。通过本课题的研究工作我们在合成多个新型的晶态层状铁硫族化合物，通过结构和物性分析深入认识了不同缺陷在铁硫族化合物中对结构物性的影响机制，对这一电磁功能材料家族的制备和物性调控具有重要的指导作用。