CN114182349A

CN114182349A - 一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法

Info

Publication number: CN114182349A
Application number: CN202111505843.3A
Authority: CN
Inventors: 刘禹彤; 赵勇; 周大进; 许涛
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2022-03-15

Abstract

本发明公开了一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，这种方法适用于激发大多数掺杂导致性能被抑制材料的超导性能。具体方法如下：将铁粉，锗粉，硒粉和碲粉充分研磨，将均匀混合的粉末压片，将制得的混合粉末坯体进行真空封管，将真空石英管进行烧结，得到Ge掺杂FeSeTe样品。然后将样品浸泡在酒精饮料中并加热，将浸泡后的样品干燥，研磨并压片，放置在坩埚中，进行真空封管，放置在管式炉中进行烧结，得到FeGeSeTe单晶材料。本方法成功地激发出Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能，这为FeSeTe超导体原理的研究提供了进一步的技术支持。

Description

一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法

技术领域

本发明属于超导材料技术领域，具体涉及一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法。

背景技术

2008年首次发现的铁基超导体成为高温超导领域的最新研究热点，在所有的铁基超导体中，FeSe具有最简单的结构，所以即便该铁基超导体系的超导性能并不是最好的，但仍然吸引大家研究。所以提高FeSe超导材料的性能和制备出大块的单晶超导材料成为了近年来的研究重点。

根据以往的研究经验，在已有的材料中进行元素的掺杂是一种提高超导性能的有效方法，所以Te的掺杂提高了FeSe超导体的超导性能，这种掺杂是Te取代了Se位。从这种思路，人们很容易联想到找到合适的元素取代Fe位来提高材料的超导性能。然而，目前大多数取代Fe位的掺杂都是抑制超导性能的，甚至会使材料不具备超导性能，比如说Al，Ga，Ti，V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Ge等等。

目前为了解决超导性能不理想的问题，已有部分研究方法，比如说加压法，但是这种方法对环境和设备要求高，不适合大规模应用；再比如使用特殊溶剂浸泡制备的铁基材料，使其有抑制性的成分被溶解出来，激发超导性能，但是这种办法无法保证有益物质不溶解在溶剂中，且原理难以解释。目前急需一种有效的、适用于大规模生产的、对环境要求和设备要求低并且原理简单的方法来解决部分掺杂物质抑制铁基材料超导性能的问题。

发明内容

本发明为了解决上述的部分元素掺杂抑制甚至破坏铁基超导体性能的问题，以掺杂Ge元素的FeSeTe单晶材料超导性能被破坏为例，提供了一种方法激发这种性能被破坏的材料的超导性能，这样可以使Fe位掺杂的FeSeTe单晶超导材料更加丰富，同时可以进一步分析FeSeTe单晶的超导原理。

为实现上述目的，本发明提供了一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，具体步骤如下：

步骤一：在惰性气体氛围中将铁粉，锗粉，硒粉和碲粉充分研磨30~90分钟，按照铁粉: 锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0~0.08且x不为0，y=0.3~0.5进行混合，将均匀混合的粉末放在0.5~2厘米的模具中进行压片，压片时间为3~15分钟；其中铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.5×10^-3~2.5×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至850~1150℃，升温速率为1~3℃/分钟，保温时间为25~50小时；再以5~15℃/分钟的速率降温至300~500℃，保温时间为70~120小时。取出淬火，得到Ge掺杂FeSeTe样品。

此步骤为止制备的样品不具备超导电性。

步骤二：将上述制备的块状样品浸泡在20~50 mL酒精饮料中，密封加热到60~90℃，浸泡1~4天。

将浸泡好的样品干燥，在惰性气体氛围中研磨30~90分钟，将粉末装进0.5~2厘米的模具中进行压片，压片时间为3~15分钟。将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.5×10^-3~2.5×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至350~550℃，升温速率为1~3℃/分钟，保温时间为24~60小时。取出淬火，得到FeGeSeTe单晶样品。

所述的酒精饮料包括但不限于白酒、啤酒、红葡萄酒和白葡萄酒，但乙醇浸泡不具有激发超导电性的作用。

所述的淬火方式为烧结程序结束，马上取出放置在冷水中进行冷却。

纯FeSeTe单晶材料具有超导电性，掺杂Ge元素后超导电性被抑制，导致Ge掺杂FeSeTe样品不具有超导性，因此本发明提供上述方法激发这种性能被破坏的材料的超导性能，本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种方法，可以使用简单的固相反应法，通过一步法制备出结晶性好，杂质少且大块的FeSeTe超导单晶材料，为后续的加工制备提供了研究基础。

2、本发明提供了一种方法，可以将掺入抑制超导性能元素的FeSeTe材料的超导性能激发出来，为FeSeTe材料的超导性能研究提供了进一步的技术支持，也可以更好地研究FeSeTe超导体的导电原理。

3、本发明使用的材料是无毒且易得的，使用的设备简单，材料的制备环境不复杂，在自然环境中就可以实现，为后续大规模生产提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明纯FeSeTe样品和掺杂Ge的FeSeTe样品的XRD图谱。

图2为实施例2制备0.03Ge掺杂FeSeTe单晶样品的SEM图谱。

图3为实施例4制备0.08Ge掺杂FeSeTe单晶样品的SEM图谱。

图4为实施例5制备0.1Ge掺杂FeSeTe单晶样品的SEM图谱。

图5为本发明掺Ge和未掺Ge的FeSeTe样品在H⊥c方向的温度-磁化率关系曲线。

图6为本发明掺Ge和未掺Ge的FeSeTe样品在H⊥c方向的临界电流密度(Jc)-磁场关系曲线。

图7为实施例2在H||c和H⊥c方向的临界电流密度(Jc)-磁场关系曲线。

具体实施方式

以下实施例仅用于解释本发明，而非用于限制本发明。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一：在惰性气体氛围中将铁粉，硒粉和碲粉充分研磨30分钟，按照铁粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1 : 1-y : y，y=0.3进行混合。将均匀混合的粉末放在0.5厘米的模具中进行压片，压片时间为3分钟。其中铁粉纯度≥99.8%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为2.5 ×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至850℃，升温速率为1℃/分钟，保温时间为50小时；再以15℃/分钟的速率降温至500℃，保温时间为70小时。取出淬火，得到FeSeTe单晶样品。

图1是扫描制备样品解理面的XRD图谱，可以看到，本实施例制备的样品是没有杂相的四方相单晶结构，说明单晶没有杂质，纯度较高。

图5为本实施例的M-T曲线，本实施例制备的样品具有较好的超导转变温度，为13.97 K，符合文献中的FeSeTe单晶超导体的超导转变温度。

图6为本实例的Jc-H曲线，在4.2 K、0 T下的临界电流密度为52800 A/cm2，表现出良好的超导性能。

实施例2

步骤一：在惰性气体氛围中将铁粉，锗粉，硒粉和碲粉充分研磨50分钟，按照铁粉:锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0.03，y=0.35进行混合。将均匀混合的粉末放在0.8厘米的模具中进行压片，压片时间为5分钟。其中铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为2.3×10^-3 Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至950℃，升温速率为1.5℃/分钟，保温时间为40小时；以13℃/分钟的速率降温至450℃，保温时间为80小时，取出淬火，得到Ge掺杂FeSeTe样品。

此步骤为止制备的样品不具备超导电性。

步骤二：将上述制备的块状样品浸泡在20 mL白酒中，密封加热到60℃，浸泡4天。

将浸泡好的样品干燥，在惰性气体氛围中研磨90分钟，将粉末装进0.8厘米的模具中进行压片，压片时间为5分钟。将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为2.3×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至350℃，升温速率为1℃/分钟，保温时间为60小时。然后取出淬火，得到FeGeSeTe单晶样品。

图1是扫描制备样品解理面的XRD图谱，可以看到，本实施例制备的样品是没有杂相的四方相单晶结构，说明少量掺Ge的FeSeTe单晶纯度较高。

图2为本实施例的SEM图，从图中可以看到样品为层状结构。

图5为本实施例的MT曲线，本实施例制备的样品具有较好的超导转变温度，为13.99 K，略高于纯FeSeTe样品的超导转变温度，这说明本发明的方法不仅可以激发出样品被抑制的超导性能，在掺杂元素适量的情况下还可以进一步提升超导性能。

图6为本实例的Jc-H曲线，在4.2 K、0 T下的临界电流密度为17600 A/cm²，表现出良好的超导性能。

图7为本实例在不同方向的Jc-H曲线，从图中可以看出本实例具有良好的超导性能。

实施例3

步骤一：在惰性气体氛围中将铁粉，锗粉，硒粉和碲粉充分研磨70分钟，按照铁粉:锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0.05，y=0.4进行混合。将均匀混合的粉末放在1厘米的模具中进行压片，压片时间为8分钟。其中铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为2×10^-3 Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至1050℃，升温速率为2℃/分钟，保温时间为35小时；再以10℃/分钟的速率降温至400℃，保温时间为90小时。取出淬火，得到Ge掺杂FeSeTe样品。

此步骤为止制备的样品不具备超导电性。

步骤二：将上述制备的块状样品浸泡在30 mL啤酒中，密封加热到70℃，浸泡3天。

将浸泡好的样品干燥，在惰性气体氛围中研磨70分钟，将粉末装进1厘米的模具中进行压片，压片时间为8分钟。将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为2×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至400℃，升温速率为1.5℃/分钟，保温时间为48小时。取出淬火，得到FeGeSeTe单晶样品。

图5为本实施例的MT曲线，本实施例制备的样品具有较好的超导转变温度，为13.99 K，略高于纯FeSeTe样品的超导转变温度，这说明本发明的方法不仅可以激发出样品被抑制的超导性能，在掺杂元素适量的情况下还可以进一步提升超导性能。除此之外，在6.01 K处，出现了第二个超导相变。

图6为本实例的Jc-H曲线，在4.2 K、0 T下的临界电流密度为8750 A/cm²，表现出良好的超导性能。

实施例4

在惰性气体氛围中将铁粉，硒粉和碲粉充分研磨80分钟，按照铁粉:锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0.08，y=0.45进行混合。将均匀混合的粉末放在1.5厘米的模具中进行压片，压片时间为10分钟。其中铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.8×10^-3 Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至1100℃，升温速率为2.5℃/分钟，保温时间为30小时；以8℃/分钟的速率降温至350℃，保温时间为100小时。取出淬火。得到Ge掺杂FeSeTe样品。

此步骤为止制备的样品不具备超导电性。

步骤二：将上述制备的块状样品浸泡在40 mL红葡萄酒中，密封加热到80℃，浸泡2天。

将浸泡好的样品干燥，在惰性气体氛围中研磨50分钟，将粉末装进1.5厘米的模具中进行压片，压片时间为10分钟。将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.8×10^-3 Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至450℃，升温速率为2℃/分钟，保温时间为36小时。取出淬火，得到FeGeSeTe单晶样品。

图3为本实施例的SEM图，从图中可以看到样品为标准的层状结构。

实施例5

在惰性气体氛围中将铁粉，硒粉和碲粉充分研磨90分钟，按照铁粉:锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0.1，y=0.5进行混合。将均匀混合的粉末放在2厘米的模具中进行压片，压片时间为15分钟。其中铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

将制得的混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.5 ×10^-3Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至1150℃，升温速率为3℃/分钟，保温时间为25小时；以5分钟/℃降温至300℃，保温时间为120小时。取出淬火，得到Ge掺杂FeSeTe样品。

此步骤为止制备的样品不具备超导电性。

步骤二：将上述制备的块状样品浸泡在50 mL白酒中，密封加热到90℃，浸泡1天。

将浸泡好的样品干燥，在惰性气体氛围中研磨30分钟，将粉末装进2厘米的模具中进行压片，压片时间为15分钟。将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，真空度为1.5×10^-3 Pa。将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结。从室温升温至550℃，升温速率为3℃/分钟，保温时间为24小时。取出淬火，得到FeGeSeTe单晶样品。

图1是扫描制备样品解理面的XRD图谱，可以看到，本实施例制备的样品已经没有了FeSeTe单晶的四方相单晶结构，取而代之的是FeSe的衍射峰和Fe₃GeTe₂的衍射峰。说明过量Ge的掺杂抑制了FeSeTe单晶的形成，只形成了少量的FeSe单晶。

图4为本实施例的SEM图，从图中可以看到样品虽然仍为层状结构，但是在层间有杂质的存在。

图5为本实施例的MT曲线，从图1可以看出，本实例制备的样品抑制了FeSeTe单晶的形成，而是出现了少量的FeSe单晶，所以超导转变温度也下降为6.01 K。

Claims

1.一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤一：在惰性气体氛围中将铁粉，锗粉，硒粉和碲粉充分研磨，按照铁粉:锗粉:硒粉:碲粉的摩尔比例为1-x : x : 1-y : y，x=0~0.08且x不为0，y=0.3~0.5进行混合，将均匀混合的粉末放在模具中进行压片，得到混合粉末坯体；

将上述混合粉末坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结，烧结结束后取出淬火，得到Ge掺杂FeSeTe材料；

步骤二：将上述制备的Ge掺杂FeSeTe材料浸泡在酒精饮料中，密封加热到60~90℃，浸泡1~4天，然后将浸泡好的样品干燥，将样品在惰性气体氛围中研磨，将所得粉末装进模具中进行压片，将压好的坯体放置在坩埚中，再将坩埚放置在石英管中，将石英管进行真空封管处理，将真空处理好的石英管放置在管式炉中进行烧结，取出淬火，得到FeGeSeTe单晶材料品。

2.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，铁粉纯度≥99.8%，锗粉纯度≥99.99%，硒粉纯度≥99.99%，碲粉纯度≥99.99%。

3.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，步骤一中，烧结温度设定为从室温升温至850~1150℃，升温速率为1~3℃/分钟，保温时间为25~50小时，再以5~15℃/分钟的速率降温至300~500℃，保温时间为70~120小时。

4.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，步骤二中，烧结温度设定为从室温升温至350~550℃，升温速率为1~3℃/分钟，保温时间为24~60小时。

5.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，所述酒精饮料包括白酒、啤酒、红葡萄酒、白葡萄酒。

6.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，步骤一和步骤二中，研磨时间为30~90分钟，压片时间为3~15分钟。

7.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，步骤一和步骤二中，真空封管真空度为1.5×10^-3~2.5×10^-3Pa。

8.根据权利要求1所述的一种酒精浸泡法激发Ge掺杂FeSeTe单晶材料的超导性能的方法，其特征在于，步骤一和步骤二中，所述的淬火方式为烧结程序结束，马上取出材料放置在冷水中进行冷却。