Supraleitende Eisenselenid-Schichtsysteme durch Hydrothermalsynthesen
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen unseres Projekts zu eisenbasierten supraleitenden Materialien haben wir eine Reihe von Entdeckungen gemacht, die neue Erkenntnisse über supraleitende Stoffe und die Wechselwirkungen zwischen Supraleitung, Magnetismus und Kristallstruktur liefern. Zu Beginn der Förderung entdeckten wir die Verbindung [(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe, die sowohl supraleitend (bis 42 K) als auch ferromagnetisch (bis 10 K) ist - ein einzigartiges Phänomen. Es gelang uns, Kristalle in Millimetergröße zu züchten, darüber hinaus stellten wir das Schwefel-Pendant [(Li0.8Fe0.2)OH]FeS sowie die Reihe [[(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe1-xSx her. Schon geringe Mengen Schwefel unterdrücken die Supraleitung, während die magnetischen Eigenschaften erhalten bleiben. Weitere Untersuchungen an [[(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe zeigten zwei supraleitende Zustände (bei 40 K und 35 K) und bestätigten die Koexistenz von Supraleitung und Magnetismus. Überraschend war, dass hydrothermal hergestelltes β-FeSe nicht supraleitend ist. Die Röntgenstrukturanalyse bei tiefen Temperaturen hat gezeigt, dass sich eine andere Kristallstruktur bildet, in der sich die Abstände zwischen den Eisenatomen unterscheiden, was die fehlende Supraleitung erklären könnte. Die Hydrothermalsynthese wurde auch für Eisensulfid (FeS) verwendet, das bei 4 K supraleitend ist. Anders als FeSe zeigt FeS keine Strukturänderung bei Abkühlung, und die Supraleitung verschwindet unter Druck. Experimente zur hydrothermalen Synthese von FeSe-Interkalationsverbindungen führten zur Entdeckung der Verbindung [Na6(H₂O)18][Fe4Se8] mit Eisenatomen, die zwischen Fe3+ und Fe2+ fluktuieren. Die Kristallstruktur enthält [(Fe4Se4)Se4]⁶⁻ Cluster, die ausschließlich von H₂O-Molekülen umgeben sind. In Zusammenarbeit mit unseren Partnern haben wir den Magnetismus der gemischtvalenten Cluster mittels µSR-Messungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Fluktuationsfrequenz mit sinkender Temperatur abnimmt, jedoch der erwartete Grundzustand mit S = 0 überraschenderweise nicht erreicht wird. Weitere hydrothermale Synthesen zu Beginn der zweiten Förderperiode lieferten gemischte Ergebnisse, erfolgreicher waren solvothermale Verfahren mit Ethylendiamin. Es gelang uns, ungeladene Moleküle in FeSe zu interkalieren, jedoch waren diese Verbindungen nicht supraleitend. Vermutlich ist eine Ladungsübertragung erforderlich, um hohe Sprungtemperaturen zu erreichen. Im weiteren Projektverlauf gelang uns die elektrochemische Interkalation von Tetramethylammonium (TMA) in FeSe. (TMA)0.5Fe₂Se₂ ist ein neues supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur von 42 K. In der Reihe (TMA)0.5Fe2Se2-xSx nimmt die Sprungtemperatur mit zunehmendem Schwefelgehalt ab. Mit Kooperationspartnern haben wir das Zusammenspiel von Supraleitung, Magnetismus und Nematizität in FeSe1-xSx untersucht. Unter Druck könnten alle drei Phänomene koexistieren, was neue Fragen zu ihrer Bedeutung für die Supraleitung aufwirft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Coexistence of 3d-ferromagnetism and superconductivity in [(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe Dirk Johrendt, Electronic Materials and Applications (EMA) 2015, Orlando, USA
Dirk Johrendt
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Coexistence of low-moment magnetism and superconductivity in tetragonal FeS and suppression of Tc under pressure. Physical Review B, 93(14).
Holenstein, S.; Pachmayr, U.; Guguchia, Z.; Kamusella, S.; Khasanov, R.; Amato, A.; Baines, C.; Klauss, H.-H.; Morenzoni, E.; Johrendt, D. & Luetkens, H.
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Effect of cobalt substitution in the ferromagnetic superconductor [(Li0.8Fe0.2)OH]FeSe,
Z. anorg. allg. Chem. 2016, 642, 989
U. Pachmayr; S. Kamusella; H.-H. Klauss & D. Johrendt
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Structural transition and superconductivity in hydrothermally synthesized FeX (X = S, Se). Chemical Communications, 52(1), 194-197.
Pachmayr, U.; Fehn, N. & Johrendt, D.
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Superconductivity and Crystal Structures in Solvothermally synthesized FeX, MRS Spring Meeting 2016, Phoenix, USA
U. Pachmayr; J. Stahl & D. Johrendt
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Coexistence of multiphase superconductivity and ferromagnetism in lithiated iron selenide hydroxide [(Li1−xFex)OH]FeSe. Physical Review B, 97(2).
Urban, Christian; Valmianski, Ilya; Pachmayr, Ursula; Basaran, Ali C.; Johrendt, Dirk & Schuller, Ivan K.
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Progress and perspectives in materials chemistry of iron-based superconductors, APS March Meeting 2018, Los Angeles, USA
Dirk Johrendt
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Systematic dimensional reduction of the layered β-FeSe structure by solvothermal synthesis. Dalton Transactions, 47(10), 3264-3271.
Stahl, J.; Shlaen, E.; Singer, H. & Johrendt, D.
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Extended Magnetic Dome Induced by Low Pressures in Superconducting FeSe1−xSx. Physical Review Letters, 123(14).
Holenstein, S.; Stahl, J.; Shermadini, Z.; Simutis, G.; Grinenko, V.; Chareev, D. A.; Khasanov, R.; Orain, J.-C.; Amato, A.; Klauss, H.-H.; Morenzoni, E.; Johrendt, D. & Luetkens, H.
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FeSe(en)0.3 – Separated FeSe layers with stripe-type crystal structure by intercalation of neutral spacer molecules
Juliane Stahl & Dirk Johrendt
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Electrochemical Synthesis and Crystal Structure of the Organic Ion Intercalated Superconductor (TMA)0.5Fe2Se2 with Tc = 43 K. Journal of the American Chemical Society, 143(8), 3043-3048.
Rendenbach, Bettina; Hohl, Timotheus; Harm, Sascha; Hoch, Constantin & Johrendt, Dirk
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Iron Selenide Intercalated by Uncharged Molecules: Superconductivity in FeSe(C2H7NO)0.3. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, 650(24).
Schöneich, Marlo & Johrendt, Dirk
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Water Encapsulated [(Fe4Se4)Se4]6– Clusters in [Na6(H2O)18][Fe4Se8]. Inorganic Chemistry, 63(50), 23907-23913.
Pachmayr, Ursula; Rendenbach, Bettina; Lammer, Nadine; Kamusella, Sirko; Klauss, Hans-Henning; Holenstein, Stefan; Luetkens, Hubertus & Johrendt, Dirk
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Effects of Chemical Pressure on Superconductivity in Electrochemically Intercalated (TMA)yFe2(Se1−xSx)2 (TMA = Tetramethylammonium). Advanced Functional Materials.
Lammer, Nadine; Werhahn, Dominik; Moritz, Leonard & Johrendt, Dirk
