Hyperfine Interactions in Superconducting Iron-Chalcogenide and -Pnictide Compounds

Abstract

This thesis deals with the synthesis and analysis of the hyperfine properties in iron-chalcogenide and -pnictide superconductors as well as related compounds. The experimental studies are based on Mössbauer spectroscopy, X-ray powder diffractometry with Rietveld refinement.

A non-stoichiometric monoclinic Fe3Se4 was synthesized. Two iron sites were identified below TC ≈ 331 K. The two magnetic sextets exhibits sign of broadening, which could be dealt with either by doubling the number of sextets to four or by introducing a correlated histogram distribution to each sextet. It is inferred that the origin of the distribution is a charge-distribution occurring within each iron site.

An iron chalcogenide sample with nominal composition FeTe0.5Se0.5 was synthesized following a solid-state reaction route. Using the field of an 11.7 T magnet textured samples, having the c axes parallel with and normal to the sample surface, were made. Clear indications of vibrational anisotropy, i.e.the Goldanskii-Karyagin effect, were observed.

A superconductive Ba2Ti2Fe2As4O oxypnictide sample was synthesized following a solid-state reaction route. 57Fe Mössbauer spectra indicate that the spin-density wave is suppressed at least down to 77 K. Analysing the temperature-dependent part of the isomer shift, using the Debye model, a Debye temperature of 280-320 K is obtained. This indicates that the local lattice around Fe is rather soft. Fe is formally divalent with a low spin.

A superconductive BaTh2Fe4As4(N0.7O0.3)2 oxypnictide sample was synthesized using a high-temperature solid-state reaction route. Fe atoms in ThFeAsN0.7O0.3 and BaFe2As2 and BaTh2Fe4As4(N0.7-O0.3)2 seem to have practically identical local surroundings i.e. regular or almost regular tetrahedron formed by four As neighbours, that gives rise to almost zero quadrupole splitting. Debye temperature of 352-369 K is obtained. The chemical isomer shift value indicates that Fe is divalent in low-spin state when Th valence is close to +4 and As valence close to -3

Denna avhandling behandlar provsyntes och analys av de hyperfina egenskaperna i järnkalkogenid- och järnpnictidsupraledare såväl som besläktade föreningar. De experimentella studierna bygger på Mössbauerspektroskopi, röntgenpulverdiffraktometri och Rietveldstrukturanalys.

Ett icke-stökiometriskt monoklint Fe3Se4 prov syntetiserades. Två järnpositioner identifierades i temperaturer under TC ≈ 331 K. De två magnetiska sextetterna i Mössbauerspektret uppvisade tecken på breddning, vilket skulle kunna hanteras antingen genom att fördubbla antalet sextetter till fyra eller genom att införa en korrelerad histogramfördelning för båda sextetterna. Man drog slutsatsen att ursprunget till fördelningen är laddningsfördelningen som förekommer inom varje järnposition.

Ett supraledande järnkalkogenidprov med den nominella stökiometrin FeTe0.5Se0.5 syntetiserades med en fastatillståndets reaktionsmetod. Med hjälp av fältet av en 11,7 T magnet orienterades prover med c axeln parallell med provytan eller c axeln vinkelrät mot provytan. Tydliga indikationer på vibrationsanisotropi, dvs Goldanskij-Karyagin-effekten observerades.

Ett supraledande Ba2Ti2Fe2As4O oxypnictidprov syntetiserades med en fastatillståndets reaktions metod. 57Fe Mössbauerspektra indikerade att eventuella spinndensitetsvågor är dämpade åtminstone ned till 77 K. Analys av den temperaturberoende delen av isomeriförskjutningen med hjälp av Debyemodellen, gav en Debyetemperatur på 280-320 K. Detta indikerar att det lokala gittret runt Fe är ganska mjukt. Järnet är formellt divalent med lågt spinn.

Ett supraledande BaTh2Fe4As4(N0.7O0.3)2 oxypnictidprov syntetiserades med en fastatillståndets högtemperaturreaktionsmetod. Fe-atomer i ThFeAsN0.7O0.3 och BaFe2As2 och BaTh2Fe4As4(N0.7-O0.3)2 verkar ha praktiskt taget identiska lokala omgivningar dvs regelbundna eller nästan regelbundna tetraedrar av fyra arsenikgrannar, vilket ger upphov till en väldigt liten kvadrupolspjälking. Debyetemperaturer av 352-369 K erhölls. Den kemiska isomeriförskjutningen indikerar att Fe är tvåvärt i ett lågspinntillstånd då Th-valensen är nära +4 och As-valensen nära -3.