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研究生: 洪綮嶸
Hung, Chi-jung
論文名稱: 利用固相燒結法製備FeSe及其超導性質之研究
Preparation of FeSe by solid state sintering and characterization of superconducting properties
指導教授: 齊孝定
Qi, Xiaoding
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 超導鐵硒化合物
外文關鍵詞: superconductivity, superconductor, FeSe
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  • 本研究以粉末固相燒結法,進行FeSe樣品之製備以及性質之研究並進行FeSe單晶以及磊晶生長實驗。超導材料PbO type-FeSe於2008年8月被發現具有超導性質,且可能為Fe扮演超導電子傳遞關鍵角色而受到重視。其超導特性以及理論機制仍然需要深入的實驗研究來佐證。
    為了製備純度較高之PbO type-FeSe樣品,本研究製程條件做系列變化,如溫度、時間,以及樣品成分 (Fe/Se)。研究發現FeSe於750o進行製備可得純FeSe相。文獻得知PbO type-FeSe必須在Se比例較低的的成分組成下生成,本研究實驗Fe:Se為名義成分為1:0.84時具有最佳的PbO type-FeSe。
    本研究摻雜不同元素來探討摻雜與超導性質的變化。發現摻雜10%的S可以在不產生相變下提升Tc至12K而原本為7K。進行晶格參數計算,摻雜S產生晶格畸變造成FeSe層狀面(ab平面)縮收。
    本研究進行FeSe熔融凝固成核,並於LAO基板上進行磊晶生長。本研究發現使用Sn為助熔劑可以使得FeSe於830oC完全融熔並分佈於基板上。目前研究結果顯示,FeSe於基板上有似磊晶的規則生長。

    The focus of this research is to prepare a new superconductive material like FeSe by solid state method and analyzing its superconductivity. The key role of Superconductivity was reported recently for PbO type-FeSe.
    In this study was varied with the anneal temperature and time and element ratio(Fe/Se) to make pure phase PbO type-FeSe. The result indicateed that we could get the pure FeSe phases synthesized at 750OC. Other superconducting group reported that when the ratio of Se become less they could get PbO type-FeSe phase. Here we get PbO type-FeSe phase mainly at the ratio Fe:Se 1:0.84 nominally .
    Doping is a complex but important subject in superconductor. This research discusses about the effect doping on superconductivity. This research get the result that when doped 10% S can raise the Tc from 7K to 12K without changed the phase. Doping S compress the layer of FeSe(ab plane) by calculating the X-Ray data.
    This research try to growth epitaxially on LAO substrate by melting and nucleation method. Using Sn as flux can let the FeSe melt at 830oC and cover over the substrate. We could see some FeSe practices on LAO identically epitaxy.

    總目錄 中文摘要 I Abstract II 誌謝 III 總目錄 IV 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 前言 1 第二章 理論基礎與文獻回顧 4 2-1超導體的發展歷程 4 2-2超導體的特性 9 2-3 BSC理論 12 2-4 第一與第二類超導體 13 2-5 約瑟芬效應 (Josephson Effect) 14 2-6 高溫超導體 18 2-6-1 REBCO體系 18 2-6-2鐵基體系 20 2-7 FeSe單晶生長 25 2-8 分析儀器 28 2-8-1 X光粉末繞射儀(X-ray diffractometer) 28 2-8-1-1 X光的特性 28 2-8-1-2 X光繞射原理 28 2-8-1-3應用與用途 30 2-8-2 SQUID (Superconducting QUantum Interference Device ) 32 2-8-3掃瞄式電子顯微鏡(SEM)及能量散佈光譜儀(EDS) 32 第三章 實驗方法與步驟 34 3-1實驗藥品 34 3-2實驗設備 35 3-3 實驗流程 36 3-3-1樣品調配、研磨混合 36 3-3-4燒結成相 36 3-3-5 單晶以及磊晶生長 37 第四章 結果與討論 40 4-1 FeSe製備之研究 40 4-1-1樣品表面與內部之分析 41 4-1-2 Fe:Se對FeSe相之影響 45 4-1-3 燒結溫度對FeSe成相之探討 49 4-1-4 FeSe實驗樣品製備 53 4-2 FeSe超導性質之研究 55 4-2-1 FeSe超導性質 55 4-2-2雜相減少對於FeSe超導性質影響之研究 59 4-2-3摻雜對於FeSe超導性質影響之研究 62 4-2-3-1摻雜硫S對於結構以及超導性質之影響 62 4-2-3-2摻雜其他元素對於超導性質之研究 71 4-3 FeSe單晶生長之研究 74 4-3-1利用液相融熔法試驗單晶生長 74 4-3-2 以LAO基板做為晶種之磊晶生長試驗 75 第五章 結論 85 參考文獻 87   表目錄 表 2.1 超導體的發展歷程 5 表 4.1 Fe(Se0.9S0.1)0.82 晶胞參數分析 70   圖目錄 圖 2.1 超導體的演化 8 圖 2.2 The Hc-Tc-Jc diagram of superconductor 11 圖 2.3 N-I-S Junction 16 圖 2.4 Typical hysteresis loop of real and ideal type II superconductor in magnetic measurement.[7] 17 圖 2.5 The unit cell structure of (a) REBa2Cu3O6 (b) REBa2Cu3O7 19 圖 2.6 The Layer Structure of LaOFeAs 22 圖 2.7 Schematic crystal structure ofα-FeSe 23 圖 2.8 phase diagram of Iron-Selenium 24 圖 2.9 The phase diagram of FeSe-SeSn 27 圖 2.10 The phase diagram of FeSe-Sb 27 圖 2.11 XRD示意圖 31 圖 3.1 FeSe樣品製備流程圖 38 圖 3.2 管式爐及周邊設備配置示意圖 39 圖 4.1 FeSe粉末XRD 40 圖 4.2 FeSe以1:1理論比例配製表面以及內部粉末之XRD比(A為樣品表面,B為樣品內部。由圖可知表面主要為Se、Fe2O3、SeO2的繞射峰,內部則主要為βα-FeSe之繞射峰) 42 圖 4.3 Fe(Se0.9S0.1)0.75之表面EDS(EDS顯示表面化合物含有分子比16.17%之O,表面具有氧化物) 43 圖 4.4 Fe(Se0.9S0.1)0.75之內部粉末EDS(樣品內部的成分分析顯示並無元素O,故內部應無氧化物存在) 44 圖 4.5 (A)Fe:Se 1:1 (B)Fe:Se 1:0.84於700oC燒結24hr之XRD(分析顯示1:1之β相為主要成分,而1:0.84之樣品則為α為主要成分) 47 圖 4.6 Fe(Se0.9S0.1)X XRD,(1)~(6) X=0.82、0.81、0.79、0.75、0.71、0.66( 48 圖 4.7 FeSe0.84樣品於700oC、750oC燒結之XRD(700 oC之粉末樣品具有Fe7Se8與Se等雜相,750oC燒結之樣品則沒有出現雜相) 51 圖 4.8 FeSe0.75燒結條件450OC及800OC之XRD(450OC之樣品中除FeSe之外尚具有Fe3O4而800OC之樣品則出現Fe) 52 圖 4.9 FeSe0.84之XRD(樣品於750oC燒結48hr,主要主成為α相FeSe仍可見β相生成) 54 圖 4.10 R-T curve of FeSe0.84(塊材樣品於700oC燒結24Hr,R-T曲線可知樣品電阻值於8K開始下降趨勢) 57 圖 4.11 FeSe0.84 M-T Curve 於 10Oe(塊材樣品於700oC燒結24Hr於10Oe磁場下M-T曲線。可知樣品之磁化率於8K時產生下降趨勢,內圖上為樣品於4K 10Oe時之M-H曲線,由圖1可知其具有順磁性質,應為樣品含有Fe所造成。將純鐵於4K時之M-H扣除可得內圖2可見具有超導上下臨界磁場之特性) 58 圖 4.12 FeSe0.84 之 R-T Curve 於750oC燒結(塊狀樣品以750oC製備降低雜相比例,R-T曲線顯示其Tc為9.7K) 60 圖 4.13 FeSe0.84 M-T Curve 於750oC燒結,其具有低不純相(塊狀樣品以750oC製備降低雜相比例於10Oe磁場下之M-T,可見其於8K左右開始產生磁化率的下降,並且磁化率於4K產生抗磁性) 61 圖 4.14 Fe(Se0.9S0.1)0.84 之XRD(塊狀樣品於700oC燒結24Hr,由XRD分析標準PEAK標示為α相,樣品仍具有β相、Fe7Se8以及Se等雜相) 65 圖 4.15 Fe(Se0.9S0.1)0.84之M-T Curve (塊狀樣品於700oC燒結24Hr,其Tc為12K) 66 圖 4.16 M-T 和M-H Curve 樣品成分為Fe(Se0.9S0.1)0.84 (塊材樣品Fe(Se0.9S0.1)0.84以700oC燒結24小時於10Oe磁場下的M-T曲線) 67 圖 4.17 XRD of Fe(Se0.9S0.1)0.82. (Fe(Se0.9S0.1)0.82樣品以750oC進行24Hr燒結,相組成主要為α、β相) 68 圖 4.18 XRD of Fe(Se0.9S0.1)0.82參雜Si粉 (標示為Si之標準峰,用以校正儀器誤差,此繞射圖data用於FeSe晶格之計算) 69 圖 4.19 M-T 曲線FeSe摻雜Sn、Te、Cr、Cu、Ti、V 72 圖 4.20 FeSe摻雜Sn、Te、Cr、Cu、Ti、V之XRD圖(FeSe0.84Sn0.05、FeSe0.76Cu0.1、Fe(Se0.9Te0.1)0.76、FeSe0.83Ti0.1、FeSe0.83Cr0.1、FeSe0.83V0.1。) 73 圖 4.21 EDS 和SEM分析 單晶生長試驗,條件為FeSe:SeSn = 3:1製程溫度850oC,圖中框出EDS所標定範圍。 79 圖 4.22 EDS 和SEM分析 單晶生長試驗,條件為 FeSe:SeSn = 3:1於850oC 79 圖 4.23 EDS 和SEM分析 單晶生長試驗,條件為 FeSe:SeSn = 3:1於880oC 80 圖 4.24 EDS 和SEM分析 單晶生長試驗,條件為FeSe:SeSn = 3:1於880oC 80 圖 4 25 XRD分析FeSe於LAO基板磊晶於850 oC 81 圖 4 26 分析FeSe於LAO基板磊晶於830 oC持溫4小時、24小時 81 圖 4.27 FeSe於LAO基板磊晶於830 oC持溫24hr光學顯微鏡影500倍像,可見具規則方向排列之結晶顆粒。 82 圖 4.28 FeSe於LAO基板磊晶於830 oC持溫4hr EDS分析(表面顆粒成分分析為FeSe) 82 圖 4.29 FeSe於LAO基板磊晶於830 oC持溫72hr EDS分析(表面具有元素鐵Fe) 83 圖 4. 30 FeSe於LAO基板磊晶,830 oC持溫168hr EDS以及SEM分析(168hr之樣品於SEM觀察可見表面有規則方向之層狀結構) 84

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    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2009-07-10公開
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