(Li0.84Fe0.16)OHFe0.98Se超导体：大单晶体的离子交换合成以及高度二维的电子性质外文翻译资料

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(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se超导体：大单晶体的离子交换合成以及高度二维的电子性质

Xiaoli Dong,^1,*,dagger;Kui Jin,^1,*Dongna Yuan,^1,*Huaxue Zhou,^1,*,Dagger;Jie Yuan,¹Yulong Huang,¹Wei Hua,²Junliang Sun,²Ping Zheng,¹Wei Hu,¹Yiyuan Mao,¹Mingwei Ma,¹Guangming Zhang,³ Fang Zhou,^1,sect; and Zhongxian Zhao^1,

我们通过水热离子交换技术成功合成了大型高质量单晶(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se，它属于已经报道的(Li_1minus;xFe_x)OHFe_1minus;ySe系统的最优掺杂超导体。通过磁化率和电阻率确认超导转变温度为42K，当磁场沿着c轴和ab平面时，0K时的临界磁场分别为79T和313T。发现面间电阻率与面内电阻率的比值（rho;_c/rho;_ab）随温度的降低而增加，在温度50K时，比值达到2500，并且在特征温度T*=120K出现明显的扭折。负的面内霍尔系数表明载流子类型主要为电子型，当温度降低趋近于T*，空穴贡献显著减小。从T*到T_c，我们观察到FeSe面内电阻率和磁化率与温度呈线性关系。因此，我们的发现揭示了，(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se在超导转变之前的正常态变得高度二维且异常，从而对高温超导机制提供了新的认识。

具有最大层间致密性的大块的FeSe构成的二元Fe_{1 delta;}Se化合物[1,2]在无外界压力时，可以在8.5K以下观察到超导转变。但是，在SrTiO₃基底上的准二维单层FeSe膜中，超导转变温度T_c可以升高到65K[3-6]。在其他具有更复杂结构、更大FeSe层间距的FeSe基化合物中，总是可以观察到更高的超导转变温度。例如，在A_yFe_2minus;xSe₂化合物中，碱金属离子A存在于相邻的大块的FeSe层之间，扩大了层间的距离，并得到了T_c~30K的超导电性。在某种程度上，它们的超导电性似乎与结构和/或二维电子性有关。但是，由于A_yFe_2minus;xSe₂中的超导相总是与绝缘反铁磁相共生[7]，这种复杂性阻碍了对其正常态和超导态的内在特性的进一步实验研究。

最近，通过水热法合成了T_c高达40~43K的 (Li_1minus;xFe_x )OHFe_1minus;ySe (FeSe11111)超导体[8-11]。而且不存在麻烦的Fe空穴有序相[11]，但根据报道，(Li/Fe)OH层中存在倾斜反铁磁有序与超导共存[8]。由于FeSe11111的层间距比A_yFe_2minus;xSe₂大，因此相邻的FeSe层之间的关联变得更弱了。这样的准二维结构有利于揭示FeSe基超导体中的电子各向异性和高T_c超导性之间的关联。为了深入研究FeSe11111的本征电子性质，高质量的大块单晶是必不可少的。

在文中，我们报道了通过使用大的绝缘K_0.8Fe_1.6Se₂晶体作为基质的水热离子交换技术成功的合成了大型高质量的(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se单晶。通过磁化率和电阻率测量确认了它的超导转变，当磁场沿着c轴和ab平面时，0K时的临界磁场分别是79T和313T。测量了面间电阻率与面内电阻率的温度关系，发现它们的比值rho;_c/rho;_ab——作为电荷传输各向异性的量度——随温度的降低而增加，在温度50K时，比值达到2500，并且在特征温度T*=120K时出现明显的扭折。同

图1(彩色)水热离子交换过程的示意图。以 K_0.8Fe_1.6Se₂, LiOHH₂O，Fe和CH₄N₂Se大基质晶体为起始原料进行水热离子交换反应的示意图。因此，这样合成的具有空间群P4/nmm的(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se晶体的相邻FeSe层之间的间距增加了32%[从K_0.8Fe_1.6Se₂中的7.067埃增加到(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se中的9.318埃]。为了清楚，未显示结构中的H-Se和K-Se键。(b)和(c)分别为 K_0.8Fe_1.6Se₂和 (Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se晶体(00l)面的XRD图，表明它们沿(001)面的晶体取向。插图显示了相应晶体的照片。

时，负的面内霍尔系数表明载流子主要为电子型，并且随着温度降低趋近于T*，空穴贡献显著减小。从T*到T_c，FeSe面内电阻率和磁化率与温度呈线性关系。因此，我们的结果揭示了，(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se超导体的电子载流子在超导跃迁之前已经是高度二维性了，从而导致了反常的正常态特性。

目前使用市售试剂以及在特定情况下，使用合成的二元FeSe[10]作为起始原料的水热方法仅得到FeSe11111的粉末样品[8-11]。我们制备大型高质量晶体的方法是，使用特殊生长的K_0.8Fe_1.6Se₂的大晶体(标称245相，简称KFS245相)，用作水热离子交换反应的基质。KFS245结构由与我们的目标化合物相似的K离子和大块的FeSe层的交替堆叠组成，是具有理想基质结构的最优前体。此外，在水热反应过程之后，KFS245中的K离子完全释放到溶液中。同时，由溶液中的离子构成的 (Li/Fe)OH层被压到基体中，通过弱氢键连接相邻的共边大块的FeSe。因此，相邻的大块的FeSe层之间的间距增加了32%(从7.067到9.318埃)，从而与块状FeSe和存在的超导体A_yFe_2minus;xSe₂相比，电子结构的二维性增强了。

衍生出的高质量FeSe11111单晶的长度超过10mm，厚度超过0.4mm。图1(a)中的示意图说明了这种离子交换的过程。晶体合成的实验细节在补充材料[12]中描述。图1(b)和1(c)分别是KFS245前体及其随后衍生的FeSe11111晶体的两

图2(彩色)K_0.8Fe_1.6Se₂和(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se晶体的磁测量结果。(a)K_0.8Fe_1.6Se₂的静态磁化率随温度的变化在538K时呈现出反磁性转变。(b)零场冷却(ZFC)和场冷却(FC)下的磁化率已经经过退磁因子修正，(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se(1Oe沿着c轴时)表明，在42K时发生了明显得抗磁转变。ZFC曲线显示100%的超导屏蔽，FC曲线显示高达21%的Meissner信号。

个典型晶体片的照片。有趣的是，FeSe11111晶体大致继承了其前体的原始形状。当它们沿着(001)面的晶体取向时，两个晶片上的(00l)型室温X射线衍射(XRD)图谱显示出KFS245[图1(b)]为l=2n(n为整数)，FeSe11111[图1(c)]没有消光。在实验分辨率内未显示检测到杂质相，它们相应的粉末XRD图在补充材料[12]图1和图2中给出。在已知的四方体结构中，每个粉末图案中的所有衍射峰都可以得到标定，如KFS245，空间群为I4/m[7]，如FeSe11111，空间群为P4/nmm[8-10]。最小二乘修正的晶胞参数对于KFS245为a=8.7248(6)埃和c=14.1339(12)埃，对于FeSe11111为a=3.7827(4)埃和c=9.3184(7)埃。在180K的温度下，收集了FeSe11111单晶XRD数据，并根据所报道的结构模型进行了结构细化[8,10]。所得到的晶体学数据列在补充材料[12]的表S1中。最后，通过对晶体结构的精修，得到了单晶化学方程式(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se。K_0.8Fe_1.6Se₂的FeSe层中的有序的空位Fe的数量为20%[7]，其中大部分被离子交换过程中引入的Fe离子所占据，在FeSe11111晶体中只留下2%的无序Fe空位。通过结构改进确定的Li:Fe:Se的原子比(0.838:1.142:1，补充材料S1[12])与电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)分析的结果(0.82:1.17:1)完全一致。重要的是，通过能量色散X射线光谱法(EDX)和ICP-AES，在我们的FeSe11111晶体中检测不到微量的K离子,从而验证了水热离子交换后K离子的完全释放。

图2(a)显示了KFS245前体的磁化率数据，其中538K的反铁磁相变，与先前的报告一致[7]。通过电阻率测量可以验证其绝缘性（补充材料图2[12]）。相比之下，离子交换合成的FeSe11111晶体呈现出超导性，其磁化率在42K时变负[图2(b)]，从10%到90%的屏蔽信号变化之间的温度范围为△T~1K之间。尖锐的抗磁性转变及其100%的反磁性屏蔽表明了我们的FeSe11111单晶的高质量。

(a)

(b)

(c)

图3(彩色)不同磁场下的面内电阻率温度关系曲线。(a)当磁场沿着c轴时，(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se的面内电阻率呈现出不同外加磁场下的超导转变。(b)当磁场沿着ab面时，施加不同磁场的面内电阻率。当磁场达到9T时，(a)和(b)的起始超导转变温度基本保持不变，但随着磁场的增大，零电阻态的温度从40K迅速向低温转变。(c)由(a)和(b)导出的各向异性上临界磁场H_c2作为温度的函数，根据Werthamer-Helfand-Hohenberg (WHH)公式，可以推断0K时的临界磁场(插图)。

(a)

(b)

(c)

图4(彩色)显示了(Li_0.84Fe_0.16)OHFe_0.98Se单晶的电阻率、霍尔系数和静态磁化率。(a)面内电阻率和面间电阻率与面内电阻率之比是温度的函数。在T*=120K附近，电阻率曲线的斜率显著减小，rho;_c/rho;_ab曲线出现相应的扭折。插图显示了rho;_ab从80K到T_c的线性温度相关范围。(b)作为温度函数的面内霍尔系数R_H在T*=120K左右呈下降趋势。黑色曲线是导向。(c)沿c轴磁场下静态磁化率(chi;=M/H)的温度关系。结果与外加磁场的大小略有关系。磁化率的突然下降是由于超导电性的出现。在高温范围内，所有数据都可以用修正的Curie-Weiss定律chi;_m =chi;₀ chi;_{CW 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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