一步自助熔剂法制备KxFe2-ySe2的超导电性研究

王小峰　梁明明　李平原　陈永亮　赵勇

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南　郑州　450000；2.西南交通大学超导与新能源研究中心，四川　成都　610000）

一步自助熔剂法制备KxFe2-ySe2的超导电性研究

王小峰1梁明明1李平原2陈永亮2赵勇2

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450000；2.西南交通大学超导与新能源研究中心，四川成都610000）

本文研究了采用一步自助熔剂法制备KxFe2-ySe2单晶样品，其超导转变温度达到32.7K，由于一步自助熔剂法的烧结工艺提高了K、Fe和Se元素的分布均匀性，从而保证了较好的样品品质以及合适的化学计量比。

KxFe2-ySe2；一步法；自助熔剂法；超导电性

2010年，中国科学院物理所的陈小龙课题组首度发现了一种新的铁基122-型超导材料体系-KxFe2-ySe2，该材料在常压下的超导临界转变温度接近32K［1］。KxFe2-ySe2具有原料无毒、易形成单晶、较高的临界磁场等特点［2］。陈小龙课题组采用自助熔剂法制备了该新型铁基超导体的单晶材料，其中熔剂为预先制备的FeSe粉末。在上述自助熔剂制备工艺中活泼性较强的K单质和前驱粉材料的影响，导致原料的化学计量比例与最终获得的单晶原子比之间有一定差异［3］。而且，KxFe2-ySe2超导相的母体即是由Fe空位形成在ab面内的有序平行四边形结构，该空位结构对超导的电磁特性都至关重要。为了进一步寻求更为简单优化的制备工艺，采用一步自助熔剂法制备了KxFe2-ySe2单晶样品，并对其晶体结构及物性进行了测试分析。

1　试验过程

将铁∶锡摩尔比为1∶1的高纯铁粉和高纯硒粉混合经充分研磨后压片，然后与钾单质按摩尔比为0.8∶1.0的比例进行混合烧结。为了避免空气对原料的影响，将材料密封于真空石英管，采用管式炉以103℃/h的升温速率加热到1 030℃，并于该温度下保持4h进行经熔融反应，然后以-5℃/h的速度降温到750℃，最后随炉冷却。本文采用X射线衍射仪对样品的晶体结构及其相成分进行分析，采用美国量子设计公司的PPMS-9进行了电输运和磁性的测试。

2　结果与分析

图1给出了制备的KxFe2-ySe2单晶X射线衍射图谱，图谱显示样品的主相衍射峰为I4/mmm空间群，且图中相对强度较大的主要衍射峰均属于（00l）系列，该结果表明样品的晶体生长方向主要为c轴方向。同时，除了KxFe2-ySe2相的衍射峰外，还存在另一系列的衍射峰，属于另外具有不同晶格参数的第二结构KaFebSec相，在其他课题组的报道中也出现了同样的现象。该XRD测试的样品取至块状样品中分离出来的薄片结构，由于样品具有较好的c轴取向，因此极易分离出表面平整光亮的片状样品，长度为7mm左右，如图1中插图所示。

图1　KxFe2-ySe2单晶的X射线衍射图谱

图2　样品的相对阻抗值（R/R300k）随温度变化的曲线（a）和不同磁场下的超导转变阻抗变化曲线放大图（b）

图2（a）为零磁场下的相对阻抗曲线，可以看到单晶样品出现阻抗驼峰效的温度区间在213K附近，样品的零阻抗超导临界温度为32.7K。阻抗曲线中的超导转变宽度可体现样品的超导电性品质和材料均匀性，该宽度越小体现的样品质量就越高。如图2（b）样品在外磁场强度为0Oe时，超导转变宽度为4K，虽然在增加外磁场强度后超导转变宽度有所展宽，但仍保持在较小的数值范围，可见该样品中构成超导相的Fe空位分布均匀。在图2（b）所示的超导转变区域附近，平行于c轴方向的外加磁场部分抑制了样品的超导电性。同时，超导转换温度之前温区范围内的正常态阻抗在外磁场高达7T时仍无显著变化，但伴随外磁场的增强超导转变逐渐受到抑制，超导转变宽度逐渐增大。

图3所示，样品表现出典型的超导相磁滞回线，且超导磁性转变温度与零阻抗超导临界温度相同。磁化强度值较大且磁滞回线间隙相对较宽，表明该方法制备的样品具有较强的超导电性。

图3　样品的场冷和零场冷直流磁化强度曲线

3　结语

通过一步自助熔剂法制备了KxFe2-ySe2单晶样品，KxFe2-ySe2超导相的母体即是由Fe空位形成在ab面内的有序平行四边形结构，该空位结构对超导的电磁特性都至关重要，Fe空位分布的不均匀性必然导致超导电性受到抑制。试验结果表明，采用一步自助熔剂法的烧结工艺提高了K、Fe和Se元素的分布均匀性，从而保证了较好的样品品质以及合适的化学计量比。

［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，硕士，研究实习员，研究方向：半导体器件；梁明明（1989-），男，硕士，研究实习员，研究方向：半导体器件（等同第一作者）。