铁基超导体

铁基超导材料制备研究进展

马廷灿, 万勇, 姜山

中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部, 武汉430071

E-mail: matingcan@https://www.docsj.com/doc/af17575271.html,

2008-12-24收稿, 2009-01-22接受

摘要超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理. 2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料——LaO1?xFxFeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数.

关键词

铁基超导

氧磷族元素化合物

临界温度

上临界磁场

固相反应法

自熔法

20世纪最后10年中, 具有ZrCuSiAs结构的稀土过渡金属氧磷族元素化合物陆续被发现, 但研究人员并未发现其中的超导现象[1,2]. 2006年和2007年, 日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授带领的研究小组(以下简称“细野秀雄小组”)先后发现LaOFeP[3]和LaNiPO[4]在低温下展现出超导电性, 但是由于临界温度皆在10 K以下, 并没有引起特别的关注及兴趣. 2008年1月初, 细野秀雄小组发现在铁基氧磷族元素化合物LaOFeAs中, 将部分氧以掺杂的方式用氟取代, 可使La O1?xFxFeAs的临界温度达到26 K[5], 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置: 3月初, 中国科学院物理研究所王楠林研究员领导的研究小组(以下简称“王楠林小组”)很快就合成了LaO0.9F0.1-δFeAs多晶样品, 并测量了基本物理性质[6]; 3月中旬, 中国科学院物理研究所闻海虎研究员领导的研究小组(以下简称“闻海虎小组”)成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料——La1?xSrxOfeAs[7]; 3月25日和3月26日, 中国科学技术大学陈仙辉教授领导的研究小组(以下简称“陈仙辉小组”)[8]和中国科学院物理研究所王楠林小组[9]分别独立发现临界温度超过40 K的超导体; 3月29日, 中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的小组(以下简称“赵忠贤小组”)发现PrO1?xFxFeAs的超导转变温度可达52 K[10]. 4月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO1?xFxFeAs[11]和REFeAsO1?δ[12]超导转变温度进一步升至55 K等. 此外, 研究人员也在不断探索新型铁基超导材料的应用. 4月下旬, 中国科学院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究员领带的研究小组(以下简称“马衍伟小组”)率先成功研制出超导起始转变温度达25 K的LaO1?xFxFeAs线材[13]. 在此基础上, 该小组与闻海虎小组合作又制备出超导起始转变温度高达52 K的SmO1?xFxFeAs线材[14].

另据报道, 细野秀雄小组已经在新型铁基超导薄膜制作上取得初步成功[15].

目前, 根据母体化合物的组成比和晶体结构, 新

https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, 557

2009 年3 月第54 卷第5 期

型铁基超导材料大致可以分为以下四大体系: (1) “1111”体系, 成员包括LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及DvFeAsF (Dv = Ca, Sr)等; (2) “122”体系, 成员包括AFe2As2 (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等; (3) “111”体系, 成员包括AfeAs (A = Li, Na)等;

(4) “11”体系, 成员包括FeSe(Te)等.

1 “1111”体系研究进展

“1111”体系是研究人员发现的第一个铁基超导材料体系, 也是研究最广最深的一个体系. 该体系拥有ZrCuSiAs四方晶系结构(常温下, 空间群为P4/nmm).

2006年5月(考虑到各期刊稿件处理速度的不同, 本文采用相关研究论文的最早提交时间或研究成果的最早公布时间, 如首次发布在arXiv上面的时间), 细野秀雄小组宣布发现一种铁基层积氧磷族元素化合物——LaOFeP. LaOFeP由氧化镧(La3+O2?)层和磷化铁(Fe2+P3?)层交错层叠而成(图1), 通过测量磁阻和电阻, 他们确认该物质的临界温度大约为 4 K(?269℃). 经过F掺杂后, La(O0.94F0.06)FeP的临界温度可以提高到7 K[3]. 2007年6月, 细野秀雄小组利用固相反应法制备出LaNiPO, 其临界温度大约为3 K[4]. 不过, 由于上述两种物质的临界温度皆在10 K以下, 它们的发现并没有引起特别的关注及兴趣.

2008年1月初, 细野秀雄小组发现LaO1?xFxFeAs的临界温度可以达到26 K. LaOFeAs由绝缘的氧化镧

图1 REFeAsO晶体结构示意图

层和导电的砷化铁层交错层叠而成. 纯粹的LaOFeAs即便被冷却至极低温度时也不会出现超导现象, 但是当将该物质中3%以上的氧离子替换为氟离子后, 超导现象随即出现. 当替换比率为3%左右时, 该物质的超导临界温度接近绝对零度, 进一步提高替换比率时, 临界温度随之上升. 当替代比率上升至11%左右时, 临界温度达到顶峰, 约为26 K, 超导起始转变温度(Tconset)则超过30 K(在实际测量中, 通常引入超导起始转变温度(Tconset)、零电阻温度(Tczero)和中点转变温度(Tcmid)来描述超导体的特性. 通常所说的临界温度Tc指的是Tcmid, 即电阻等于Tconset电阻的1/2时对应的温度)[5]. 不久, 该小组发现在加压(4 GPa)后, LaO0.89F0.11FeAs的Tconset最高可以达到43 K[16]. LaOFeAs的特殊之处还在于其中含有铁元素, 铁是典型的磁体, 而磁性则对常规超导电子配对起着破坏作用. 因此, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮.

2008年3月初, 王楠林小组合成了Tc超过20 K的LaO0.9F0.1?δFeAs多晶样品, 并迅速利用多种手段对样品的物理性质进行了测试, 发现其具有较高的上临界磁场(Hc2>50 T)和较低浓度的电子型载流子等[6]. 很快

LaO1?xFxFeAs的电子结构进行了计算, 他们的研究进一步证明LaO1?xFxFeAs是一种不同于铜氧化物超导体的新型高温超导体[17]. 闻海虎小组将其在该领域的第一篇文章于3月5日贴到arXiv上面, 也成为最早验证日本小组工作的研究小组之一, 并很快通过两步法合成了LaO0.9F0.1?δFeAs样品, 并对其特性进行了测量[18]. 随后, 美国能源部橡树岭国家实验室Mandrus领导的研究小组(以下简称“Mandrus小组”)也报道了他们对LaO0.89F0.11FeAs 的晶体结构、磁化率、霍尔系数、Seebeck系数等的研究结果[19]. 3月中旬, 闻海虎小组报道在LaOFeAs中用Sr2+

替代La3+, 成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料——La1?xSrxOFeAs, 当x=0.13时, Tconset达到最大值, 约为25.6 K[7]. La1?xSrxOFeAs的合成大大拓宽了在该系统中探索新型超导材料的范围. 此前, 细野秀雄小组认为, 在LaOFeAs系统中实现超导的关键因素是电子

型掺杂, 而空穴掺杂不行[5]. 此外, 该材料的相干长度较长, 上临界磁场较高, 在超导强电和电子学方面可能有潜在的应用. 王楠林小组在对不同F含量的

558

评述

了系

统研究之后, 他们与中国科学院物理研究所方忠研究员领导的研究小组合作, 通过比热、磁电阻、光电导谱测量和第一性原理计算, 首次提出LaOFaAs母体具有自旋密度波不稳定性, 并于3月24日公布了他们的研究成果, 指出超导和自旋密度波不稳定性相互竞争, 并预言了自旋密度波状态下的条纹反铁磁序磁结构[20]. 之后, 该小组与美国田纳西大学诺克斯维尔分校的戴鹏程教授领导的研究小组合作进行中子衍射实验, 证实了母体的反铁磁自旋密度波基态和理论预言的基态磁结构[21]. 3月25日, 陈仙辉小组报道用传统固相

了SmO1?xFxFeAs样品, 发现该物质在不施加压力的条件下也具有体超导电性(bulk superconductiv-ity). 电阻率和磁化率测量表明, 其Tconset达到43 K, Tcmid达到41.7 K[8]. 此前大约一个月, 细野秀雄小组发现在加压(4 GPa)后, LaO0.89F0.11FeAs的Tconset最高可达到43 K[16]. 而此前所有已报道的具有体超导电性的非铜氧化物超导体中, 临界温度最高的是MgB2, Tconset=39 K[22]. 因此, SmO1?xFxF eAs成为常压下第一种临界温度超过40 K 的非铜氧化物超导体. 3月26日, 王楠林小组用Ce替代La合成

1?xFxFeAs样品, 也独立发现超导转变温度超过40 K的超导体系(Tconset=41 K). 他们发现该体系存在超导电性与自旋密度波序的竞争, 其超导相与反铁磁自旋密度波不稳定性邻近, 由此他们指出磁扰动是寻找该类高温超导体的要素之一[9]. 随后, 他们对REO1?xFxTAs(RE=La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm, T=Fe, Ni, Ru)的元素替代效应进行了系统研究. 他们发现, NdO1?xFxFeAs的Tconset大约为50 K, 而GdO1?xFxFeAs的Tconset则低于10 K[23]. 不过很快, 闻海虎小组发现当x=0.17时, GdO1?xFxFeAs的Tconset可以达到36.6 K[24]. 3 月

?xFxFeAs, Tconset可达52 K, 零电阻温度(Tczero)和Meissner转变温度分别为44 K和50 K[10], 这是第一种超导转变温度超过50 K的非铜氧化物超导体. 3月31日, 赵忠贤小组又宣布用高压法合成了第二种超导转变温度超过50 K的非铜氧化物超导体——NdO1?xFxFeAs, 其Tconset为51.9 K(如前所述, 王楠林小组在同一天公布的为50 K[23]), Meissner转变温度为51 K, 而其Tczero则提高到48.8 K[25]. 4月13日, 赵忠贤小组宣布利用高

1?FxFeAs, 其Tconset达到55 K, 是当时已报道的所有非铜氧化物超导体中最高的, 其Tczero和Meissner转变温度分别高达52.6 K和54.6 K[11]. 6月中旬, 马衍伟小组宣布利用新开发出的一步烧结法成功合成了SmO1?xFxFeAs高密度大块样品[26]. 4月16日, 赵忠贤小组宣布利用高压法合成

eAsO1?δ (RE = Sm, Nd, Pr, Ce, La)系列无氟缺氧型铁砷超导体. 他们发现, 该系列新型超导体的Tconset随着稀土元素RE原子半径的减小依次递升, SmFeAsO0.85的Tconset最高, 达到55 K, Tczero为52.8 K, 而NdFeAsO0.85, PrFeAsO085, CeFeAsO0.85和LaFeAsO0.的最高Tconset则分别为53.5 K, 51.3 K, 46.5 K和31.2 K[12]. 随后, 日本产业技术综合研究所的Iyo 等人也宣布利用高压法制备出NdFeAsO1?y多晶样品. 他们发现, 当0.3≤y≤0.8时, NdFeAsO1?y呈现急剧超导转变, 且y值变化对临界温度没有明显影响. 当y=0.4时, 其Tconset, cmid, Tczero分别为54.2 K, 53.7 K和52.0 K[27]. 2008年4月23日, 赵忠贤小组报道合成了GdFeAsO1?δ和GdFeAsO1?xFx样品. 他们发现, 与SmFeAsO0.85相比, GdFeAsO0.85的晶格常数虽然更小, 但其Tconset却降低到53.5 K, Tczero降低到52.3 K. 此外, 他们发现, 当x=0.2时, GdFeAsO1?xFx的Tconset和Tczero达到最高值, 分别为51.2 K

和45.5 K[28]. 9月下旬, 赵忠贤小组又报道利用高压合成法, 借助特种快淬工艺合成了REFeAsO1?δ系列的重稀土元素成员, RE=Ho, Y, Dy, Tb, 它们的Tconset分别为50.3 K, 46.5 K, 52.2 K和48.5 K[29]. 浙江大学物理系凝聚

曹光旱教授等(以下简称“许祝安小组”)研究发现, 在GdFeAsO中由于Gd2O2层和Fe2As2层间的晶格失配, 要想通过F掺杂提高其临界温度难度很大. 4月28日, 他们报道发现通过在GdFeAsO中用Th4+部分替代La3+, 制备出Gd1?xThxFeAsO多晶样品, 上述晶格失配情况得以改善, 从而使其Tconset提高到56 K. 这也表明, 通过LnFeAsO(Ln代表镧系元素)的Ln位替代来实现电子掺杂, 从而进一步提高临界温度是可行的. 他们认为, Th替代策略也可用于其他铁基氧磷族元素化合物[30]. 不久后, 该小组宣布制备出Tb1?xThxFeAsO(x=0, 0.1, 0.2)多晶样品, x=0.1, 0.2时, Tconset分别为45 K, 52 K[31]. 5月中旬, 英国爱丁堡大

0~1150℃)、高压(10~12 GPa)条件下合成了

559

2009 年3 月第54 卷第5 期

TbFeAsO1?xFx(x=0, 0.1, 0.2)和DyFeAsO1?xFx(x=0, 0.1, 0.2)样品, 它们的Tconset分别最高可以达到46 K和45 K, 而且它们都拥有很高的上临界磁场(Hc2≥100 T). 此外, 他们还在10 GPa下合成了TbFeAsO0.9样品, 其Tconset约为50 K[32]. 5月底, 闻海虎小组

生长出NdFeAsO0.82F0.18单晶样品. 该小组还利用微加工手段制作了电极, 并测量了有关上临界磁场、各相异性和正常态输运的第一手数据[33~35]. 这是关于铁基超导材料单晶制备与研究工作的最早报道. 6月初, 瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich) Janusz Karpinski领导的研究小组以NaCl/KCl为助熔剂, 在高温高压条件下成功生长出尺寸达120 μm×100 μm 的SmFeAsO1?xFy单晶样品, Tconset在45~53 K范围内[36]. 6月

相反应法合成了Sm0.95La0.05O0.85F0.15FeAs样品, 其Tconset和Tczero分别为57.3 K和52.8 K. 他们认为, 其临界温度相对于陈仙辉小组最先报道的SmO0.85F0.15FeAs提高了很多, 原因在于La替代效应[37]. 7月初, 美国能源部橡树岭国家实验室andrus

国纽约州立大学石溪分校Stephens等人报道合成了LaF e1?xCoxAsO(x=0, 0.05, 0.11, 0.15, 0.2, 0.5, 1)系列样品. 他们发现, Co掺杂可以有效诱导LaFe1?xCoxAsO产生超导电性, 其中当x=0.11时, Tcon-set = 14.3 K. 此外, 他们还发现LaFe1?xCoxAsO可以承受FeAs面较大程度的紊乱, 他们认为这将有助于理解新型铁基超导材料的内在机制[38]. 几乎同时, 许祝安小组也对LaFe1?xCoxAsO进行了研究, 测量到的最高临界温度为13 K(x=0.075)[39]. 7月下旬, 日本名古屋大学物理系Sato教授领导的研究小组报道合成了LaFe1?yCoyAsO0.89F0.11系列样品, 他们发现Co掺杂量与临界温度并没有明显的关系[40]. 7月底, 许祝安小组报道用固相反应法LaFeon

1?NixAsO多晶样品. 当x=0.3时, 其Tc约为5 K; 当x=0.4时, 其Tconset约为6.5 K; 当x=0.5时, LaFe1?xNixAsO在3 K以上都未发生超导转变. 此外, 他们还发现当x=0.3或0.4时, 在超导转变温度以上, 随着温度的降低, 电阻率呈对数增长, 这表明Ni掺杂导致LaFe1?xNixAsO产生了类近藤行为(Kondo-like behavior)[41]. 8月初, 许

aFe1?xZnxAsO和LaFe1?xZnxAsO0.9F0.1多晶样品. Zn掺杂对LaFe1?xZnxAsO电阻率变化的影响比较明显, 但在2 K以上并未发现其超导转变. 对于LaFe1?xZnxAsO0.9F0.1, Zn掺杂使得其电阻率随温度变

化情况更具金属性. 与未掺杂Zn的LaFeAsO0.9F0.1相比, 其临界温度略有提高, 达到28 K[42]. 8月初, 马衍伟小组报道他们用一步固相反应

合成了SmFe1?xCoxAsO(x=0.10, 0.15)样品. 母体化合物SmFeAsO并不具备超导电性, 但在150 K时出现反铁磁序. 他们发现Co掺杂能有效抑制上述反铁磁序, SmFe1?xCoxAsO在15.2 K时发生了超导转变. 与LaFe1?xCoxAsO相似, SmFe1?xCoxAsO似乎也能承受FeAs

面较大程度的紊乱, 这也进一步表明新型铁基砷化物超导体与铜氧化物超导体有着不同的超导机制[43]. 随后, 许祝安小组对SmFe1?xCox AsO进行了更为系统的研究. 他们发现当x ≥0.05时, 自旋密度波转变就得到有效抑制, 呈现出超导电性; 当x=0.1时, 临界温度(Tcmid)达到最大值17.2 K, Tconset约为20 K; 当x>0.2时, 超导电性消失[44]. 8月中旬, 细野秀雄小组合了具

系结构的四元素氟砷化物——CaFeAsF样品, 它由(FeAs)δ?层和(CaF)δ+层交错层叠而成, 这是“1111”体系的第一种无氧型成员. 他们发现, 通过用Co部分替代Fe, 进行电子掺杂, CaFe1?xCoxAsF呈现出体超导电性. 当x=0.1时, Tconset=23 K, Tcmid=22 K. 他们认为, 如果能够实现(CaF)δ+层掺杂其临界温度有望进一步提升[45]. 11月初, 细野秀雄小组公布了对CaFeAsF的Fe位进行过渡金属元素(Cr, Mn, Co, Ni, Cu)掺杂的研究结果. 他们发现Co, Ni掺杂都诱发了超导电性, CaFe0.9Co0.1AsF和CaFe0.95Ni0.05AsF的临界温度分别达到了22 K 和12 K, 而Cr, Mn, Cu掺杂未能诱发超导电性[46]. 12月初, 闻海虎小组报道合成了Ca1?xRExFeAsF(RE=Nd, Pr; x=0, 0.6), Ca0.4Nd0.6FeAsF和Ca0.4Pr0.6FeAsF样品均具有体超导电性, 两者的Tcoset分别高达57.4 K和52.8 K[47]. 8月下旬, 细野秀雄小组合成了

过Co掺杂实现了超导电性. 当x=0.125时, SrFe1?xCoxAsF的Tconset=4.8 K, Tcmid=4.5 K[48]. 10月中旬, Johrendt小组也宣布合成了SrFeAsF样品, 并通过XRD分析确定其具有ZrCuSiAs四方晶系结构[49]. 几乎同时, 闻海虎小组用两步固相反应法成功合成了

560

评述

SrFeAsF样品. 他们测得SrFeAsF的电阻率和直流磁化率在173 K时都发生了异常[50]. 进而, 他们通过La掺杂制备出新型超导体Sr1?xLaxFeAsF, 当x=0.4时, Tconset达到32 K. 此外, 他们也合成了EuFeAsF样品, 但未实现其超导电性[51]. 随后, 俄罗斯科学院乌拉尔分院固态化学研究所的Shein和Ivanovskii[52]利用基于第一性原理的FLAPW-GGA方法, 对CaFeAsF和SrFeAsF两种无氧型铁砷超导体母体的结构特征和电子特征等进行了研究, 这些结果将有助于进一步理解这些材料的超导发生机制. 11月初, 闻海虎小组对SrFeAsF进行Sm掺杂, 也成功诱发了体超导电性, Sr1?xSmxFeAsF(x=0.5)的Tconset和Tcmid分别高达56 K和53.5 K. 这也进一步表明, 有望在更多的氟砷体系其他成员中实现超导电性[53]. 11月下旬, 许祝安小组宣布通过

, 用固相反应法合成了LaFeAs1?xPxO多晶样品, 其Tconset约为10.5 K. 这是第一种未经载流子掺杂而实现体超导电性的新型铁基超导材料. 这也进一步表明, 化学压力可以稳定铁砷化物体系的超导电性[54]. 2 “12

受“1111”体系的启发,

超导体系——“122”体系. 该体系具有ThCr2Si2型四方晶系结构. 2008年5月下

2As2的研究成果. BaFe2As2具有泡利顺磁性, (Fe2As2)层被Ba2+离子隔开(图2). 与“1111”体系的母体化合物LaOFeAs相似, BaFe2As2在140 K时会发生结构和磁相转变, 并呈现出异常的自旋密度波行为. 因而认为BaFe2As2有望成为一种具有ThCr2Si2结构的无氧型铁砷超导体的母体化合物[55]. 几天后Johrendt小组宣布, 通过对BaFe2A

掺杂, 即用K+部分替代Ba2+, 合成了新型块体铁基超导体——Ba1?xKxFe2As2, 其中Ba0.6K0.4Fe2As2的Tconset高达38 K. Ba1?xKxFe2As2成为具有ThCr2Si2型结构的“122”体系的第一个成员家族, 也是当时已报道的空穴掺杂型铁砷超导体中临界温度最高的[56]. 他们的进一步研究表明, 在0.1≤x≤1范围内, Ba1?xKxFe2As2都呈现出超导电性, x=0.4时, Tconset达到最大值38 K. 他们认为, 正交晶系化合物Ba0.9K0.1Fe2As2 (Tconset ≈3 K)和Ba0.8K0.2Fe2As2 (Tconset ≈

图2 BaFe2As2晶体结构示意图

25 K)的超导转变表明, 在BaFe2As2家族中, 超导电性与结构紊乱以及潜在的磁有序状态可以共存[57].

6 月初, 王楠林小组用固相反应法合成了Sr1?xKxFe2As2(x=0~0.4)多晶样品, Sr0.8K0.2Fe2As2和Sr0.6K0.4Fe2As2的Tconset也都高达38 K. 他们发现母体SrFe2As2在210 K时就发生了自旋密度波异常, 这一温度明显高于BaFe2As2(140 K)[58]. 几乎同时, 美国休斯顿大学Chu和Guloy等人宣布用高温固相反应法合成了A1?xSrxFe2As2(A=K, Cs)样品. KFe2As2和CsFe2As2的Tconset分别为3.8 K和2.6 K, 用Sr部分替代K, Cs后, K1?xSrxFe2As2和Cs1?x SrxFe2As2(x=0.5~0.6)的Tconset分别上升到36.5 K, 37.2 K[59].

随后, 陈仙辉小组合成了Ba1?xMxFe2As2(M=La, K)和a0.5K0.5OFe2As2品. 他们没有发现Ba1?xLaxFe2As2的超导转变, 不过与Johrendt小组一样, 他们发现(Ba1?xKx)Fe2As2的Tconset为38 K. 此外, 他们发现Ba0.5K0.5OFe2As2的电阻率随温度变化情况与Ba0.6K0.4Fe2As2相似, Tconset也高达36 K[60].

6月11日, 美国能源部艾姆斯实验室/爱荷华州立大学Canfield教授领导的研究小组报道, 他们用Sn作为助熔剂成功生长出BaFe2As2母体和K掺杂的超导单晶样品, 并对其各向异性热力学和运输特性进行了研究. 但Sn有可能进入母体样品的晶格, 使得单晶样品自旋密度波相变的行为相对多晶样品有所改变[61]. 这是关于“122”体系大尺寸单晶生长工作的561

2009 年3 月第54 卷第5 期

最早报道. 6月15日陈仙辉小组报道用FeAs作为助熔剂生长出BaFe2As2母体, 避免了由于Sn助熔剂进入晶格导致的性质变化, 从而与多晶样品基本一致. 他们也研究了所制备单晶的各向异性行为[62]. 6月16日, 王楠林小组报道了用Sn和FeAs分别作为助熔剂生长出大尺寸SrFe2As2, BaFe2As2母体和K掺杂的超导单晶样品, 并开展了热力学、输运和各向异性特性研究[63]. 同一天, 王楠林小组还报道了在上述母体单晶样品上针对自旋密度波起源进行的光学研究, 发现了费米面上的部分能隙打开, 以及由此导致的载流子数目损失和散射率的巨大下降[64].

6月中旬, 许祝安小组宣布制备出EuFe2As2多晶样品. 他们发现, 与BaFe2As2, SrFe2As2相似, EuFe2As2在大约200 K时发生自旋密度波转变. 在20 K时, EuFe2As2发生反铁磁序转变. 在EuFe2As2中, 主要载流子为空穴. 因此, 他们预测通过适当的空穴掺杂, EuFe2As2有望产生超导电性[65]. 几乎与此同时, 德国哥廷根大学的Gegenwart、印度理工学院的Hossain德国马普学会固体化学物理研究所的RosnerBridgman生长出EuFe2As2单晶. 他们也发现, EuFe2As2在195 K和20 K时分别发生了自旋密度波转变和反铁磁序转变, 电子结构与SrFe2As2相似. 此外, 他们还初步尝试用K部分替代Eu, 但并没有发现诱发超导电性[66]. 不过, 大约1个月后, 他们用固相反应法制备出Eu0.5K0.5Fe2As2多晶样品, 电阻率、磁化率等特性测试表明, 自旋密度波转变得到有效控制, 呈现出体超导电性, Tconset约为32 K[67].

6 月下旬, 陈仙辉小组报道用自熔法生长出CaFe2As2高质量单晶样品, 并进而用固相反应法合成了Ca1?xNaxFe2A s2多晶样品. 他们发现由于Na部分替代Ca, 引入空穴载流子, 可以有效抑制CaFe2As2的结构转变和自旋密度波不稳定性, Ca0.5Na0.5Fe2As2大约在20 K时发生了超导转变[68].

7 月初, 美国圣地亚哥州立大学的Torikachvili与爱荷华州立大学的Canfield等人报道发现CaFe2As2对静压非常敏感, 在2.3~8.6 kbar压力范围内CaFe2As2会出现超导转变, 当压力大约为5 kbar(约0.5 GPa)时, Tconset达到最大值, 约为12 K[69]. 几乎同时, 美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的Thompson等人也发现, 常压下CaFe2As2在170 K以下具有反铁磁性, 但在0.69 GPa外加压力下, 其Tconset可以达到13 K. 这是关于“122”体系超导体由于

加压而导致超导电性的最早的两次报道[70].

7月5日, 闻海虎小组报道用FeAs作为助熔剂成功生长出A1?xKxFe2As2(A=Ba, Sr)高质量单晶样品, 其中Ba1?xKxFe2As2(0

7月11日, 英国剑桥大学的Lonzarich教授领导的研究小组报道了SrFe2As2和BaFe2As2(未经掺杂)在高压下的超导电性. 他们发现, 在高压下, BaFe2As2(约40 kbar)的Tconset可以达到29 K, SrFe2As2(约30 kbar)的Tconset可以达到27 K, 而在常压下, 这两种母体材料并不具备超导电性. BaFe2As2和SrFe2As2成为当时已报道的由于加压而导致超导电性的材料中超导转变温度最高的两种材料[73].

7月14日, 德国马普学会固体化学物理研究所的Rosner领导的研究小组报道合成了SrFe2?xCoxAs2多晶样品, 他们发现Co替代效应有效地抑制了反铁磁(AFM)转变以及相关的晶格畸变. 当x=0.2时, 其Tconset约为20 K. SrFe2?xCoxAs2成为“122”体系的第一个电子掺杂型成员[74]. 同一天, Mandrus小组报道了BaFe1.8Co0.2As2单晶具有体超导电性, 其Tconset达22 K[75].

9月11日, 许祝安小组报道用自熔法生长出BaFe2?xNixAs2(x = 0, 0.05, 0.1, 0.16, 0.2)单晶样品, 当x = 0.1时, Tconset达到最大值21 K, Tcmid=20.2 K[76]. 许祝安小组也对EuFe2?xNixAs2进行了研究, 但未发现其超导电性[77]. 11月中旬, 该小组宣布通过P-As部分等价替代, 用固相反应法合成了EuFe2As1.8P0.2多晶样品. 测量表明, EuFe2As2在大约24 K时发生超导转变, 在大约18 K时呈现铁磁序, 并在一定程度上抑制了超导转变. 他们认为, 超导电性的出现应归因于P掺杂引起的化学压力, 这表明化学压力或许可以帮助稳定铁砷化物体系的超导电性. 该物质的合成也将有助于研究磁性和超导电性之间的相互影响[78].

3 “111”体系研究进展

“111”体系是研究人员发现的第三个铁基超导体系, 与“1111”体系和“122”体系同属于铁砷超导体系, 但拥有更为简单的结构, 对于探索高温超导体的内在机制以及进一步提高临界温度都有着重要的意义.

562

评述

2008年6月底, 中国科学院物理研究所的靳常青研究员领导的研究小组率先报道发现了新型铁基超导体系: Li1?xFeAs, 其中Li0.6FeAs的Tconset可以达到18 K. 研究人员通过高压烧结法合成了这种新型材料. 它属于四方晶系结构, 与“1111”体系和“122”体系母体材料相似, 也包含FeAs导电层, 铁平均价态为+2价. 值得一提的是, 与“1111”体系和“122”体系不同, 研究人员并没有发现这种新型铁基超导体系的自旋密度波转变[79].

很快, 俄罗斯科学院的Sadovskii等人对LiFeAs的电子结构进行了局域密度近似(LDA)计算. 分析结果表明, LiFeAs的电子结构与“1111”体系和“122”体系的电子结构非常相似, 其电子特性也主要取决于Fe的三维轨道FeAs4二维层[80].

7月中旬, 英国牛津大学的Clarke领导的研究小组(以下简称“Simon J. Clarke小组”)也宣布制备出LiFeAs样品. 他们研究发现, LiFeAs具有反PbO型(anti-PbO-type)铁砷层, Li与As形成五元配位(四角锥)(图3), 其Tconset最高可达16 K[81]. 几乎同时, 美国休斯顿大学的Chu 小组也宣布利用高纯Li, Fe, As高温反应合成了LiFeAs多晶样品, 并对其单晶结构进行了测定. 他们的研究结果与最先报道LiFeAs超导特性的靳常青研究小组的有所不同: (1) 晶体结构; (2) 超导相的化学成分. 分析结果表明, LiFeAs的晶体结构属于PbFCl型, 具有反PbO型铁砷层, 而不是此前大家一直认为的Cu2Sb型[82]. 同时, 他们发现Li离子缺陷并非具备超导电性的必要条件, LiFeAs母体在常压下就具有18 K 的超导转变温度. 同样, 他们在研究

过程中也没有发现LiFeAs的自旋密度波行为. 他们认为与层积铁砷超导体相比, LiFeAs可能更类似于无限层(infinite layered)铜氧化物高温超导体[83].

图3 LiFeAs晶体结构示意图

10月中旬, Clarke小组宣布合成了LiFeAs的同构化合物NaFeAs, 其Tconset大约为9 K. 在NaFeAs中, Fe离子与4个As离子形成四元配位(FeAs4四面体); Na离子与As离子形成五元配位(四角锥), Na离子位于FeAs层中间. 他们认为, 通过掺杂调整电子数量, 其Tconset将会进一步提高[84].

4 “11”体系研究进展

“11”体系是研究人员发现的第四个铁基超导体系, 是四大体系中结构最为简单的一个体系. 此外, 由于所含硫族元素毒性相对较低, 因此也是四大体系中毒性最低的一个体系.

2008年7月中旬, 中国台湾中央研究院物理研究所吴茂昆所领导的研究小组(以下简称“吴茂昆小组”)率先报道发现, α-FeSe1?x (x=0.12或0.18)在大约8 K的温度发生超导转变(作者注: α-FeSe为错误引用, 实际应为β-FeSe, 后文有相关叙述). 这种四方晶系FeSe由边共享的FeSe4四面体层叠积而成(图4), 具有与“1111”体系铁基超导材料相似的平面子晶格; 不过, 其PbO型结构相对于“1111”体系的ZrCuSiAs型结构更为简单, 制作更为容易, 而且由于不含有高毒性砷元素, 毒性相对较低[85].

图4 FeSe晶体结构示意图

7月下旬, 日本国立材料科学研究所Takano领导的研究小组也用固相反应法制备出FeSe多晶块体样品. 他们发现, FeSe1?x (x=0.08)的Tconset在常压下为13.5 K, Tczero为7.5 K. 更重要的是, 他们发现临界温度对于外加压力非常敏感: 当外加1.48 GPa压力时, Tconset会以9.1 K/GPa的速率快速上升到27 K, Tczero也上升到13.5 K. 在1.48 GPa外加压力下, 其上临界磁场高达72 T[86].

美国能源部橡树岭国家实验室的Singh等人对FeSe, FeS和FeTe的电子结构、费米面、声子谱、磁性、电声耦合等进行了等密度泛函计算研究, 提出掺杂的FeTe和Fe(Se,Te)都可能具有超导电性, 特别是FeTe的自旋密度波具有更强的稳定性, 因此掺杂的563

2009 年3 月第54 卷第5 期

图5 铁基超导材料主要研究进程

图中标注时间为相关论文的最早提交时间或相关成果的最早公布时间, 方框代表国内研究成果

FeTe可能会拥有比FeSe更高的临界温度[87].

很快, 美国杜兰大学Mao领导的研究小组制备出Fe(Se1 x Tex)0.82系列多晶样品, 发现0≤x<0.15和0.3

8月初, 吴茂昆小组公布了对FeSe1?xTex的系统研究成果, 分析了Te替代效应对FeSe的超导电性的影响. 他们发现, 随着Te掺杂量的增加, FeSe1?xTex的Tconset逐渐提高, 当x=0.5时, Tconset达到最高值15.2 K. 研究表明, Tconset的提高与Te替代效应造成的结构变形有着密切的联系, 超导电性的出现也与Fe平面的磁对称密切相关[89].

10月下旬, Takano小组用固相反应法合成了FeTe0.92样品, 对其高压下的电阻率变化进行了测量,

564

评述

发现随着外加压力的提升, 电阻转变温度有降低的趋势, 并预测在1.60 GPa以上的更高外加压力下, FeTe0.92有可能会呈现压力诱导的超导电性[90].

11月初, Takano小组宣布用固相反应法成功合成了新型铁基超导材料FeTe1?xSx(x=0.1, 0.2). 研究分析结果表明, S替代效应抑制了母体FeTe在80 K时的结构相转变, 这成为FeTe1?xSx 实现超导电性的关键. FeTe0.8S0.2的Tconset大约为10 K, Tczero约为7.8 K[91]. 很快, Takano小组又宣布用固相反应法合成了FeSe1?xSx(x=0~0.5), FeSe1?xTex(x=0~1), Fe1?xCoxSe (x = 0.05, 0.1, 0.2)和Fe1?xNixSe(x=0.05, 0.1, 0.2)多晶样品, 并用CuKα X射线衍射方法对这些样品进行了分析. FeSe1?xSx的Tconset最高可以达到15.5 K, FeSe1?xTex的Tconset最高可以达到15.3 K. 相比之下, Fe位Co掺杂和Ni掺杂却强有力地抑制了超导电性[92].

11月10日, 王楠林小组利用Bridgman法生长出Fe1.05Te和Fe1.03Se0.30Te0.70单晶样品, 并开展了细致的物性研究工作, 揭示了额外Fe离子对性质的巨大影响[93]. 这是“11”体系为数不多的单晶生长和在单晶上开展物性研究的工作.

11月中旬, 美国普林斯顿大学的Cava教授等公布了他们对FeSe更为深入的研究成果. 他们指出, 吴茂昆小组等报道的α-FeSe为错误引用, 实际应为β-FeSe. 他们发现, β-FeSe的超导电性对组成比非常

敏感. 此外, 他们在低温下未发现非超导相β-Fe1.03Se的磁有序. 他们认为, β-Fe1.03Se的电子态的理解与β-FeSe的进一步研究将有助于对铁基超导机制的理解[94].

5 结论

铁基超导材料研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 开展了卓有成效的研究工作, 在以新型铁基超导材料研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮中占据了重要位置. 总体来看, 铁基超导材料研究还处于起步阶段, 许多问题还都有待科学家们进一步去探索与研究. 对我国进一步开展铁基超导材料研究提出以下建议: (1) 希望能在国家和科研机构层面提供更多的经费支持, 设立专项研究课题, 鼓励我国科研人员更多地主持或参与国际、国内合作, 开展进一步的深入研究, 提升我国在新型高温超导材料研究中的国际竞争力; (2) 在开展基础研究的同时, 积极关注应用研究, 及时为科研成果申请专利(特别是国际专利)保护, 通过科研成果的转移与转化提升我国相关产业、行业的国际竞争力; (3) 从铜氧化物高温超导材料和铁基超导材料看, 稀有金属元素都是非常重要的成分, 希望能将对这些材料的控制和使用上升到战略物资的高度加以重视.

铁基超导,中国主导

铁基超导,中国主导 在经历连续3年的空缺之后，2014年1月10日，来自中国科学院物理所和中国科技大学的研究团队，以“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”问鼎国家自然科学一等奖。 我国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域。而铁基超导作为2008年才开始起步的研究项目，以新锐姿态成为超导领域最受重视的板块，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。为什么铁基超导如此特别？针对它的研究对我们有什么影响呢？世界上有许多单质金属及其合金在特殊条件下都是超导体，即电阻为零，而且还具有完全抗磁性的特性。一旦进入超导态，材料内部磁感应强度即为零，于是超导体就如同练就了“金钟罩、铁布衫”，外界磁场根本“进”不去。正是由于这些特性，超导才具有极其深远的应用前景：利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可节约输电过程中造成的大量热损耗；可组建超导发电机、变压器、储能环；可在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，或进行极端条件下的物性研究，或发展安全高速的磁悬浮列车……然而，要让这些物质进入超导态，必须满足一个十分苛刻的条件——环境温度接近绝对零度。所以，之前提到的那些应用前景在现实生活中很难实现。 物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233℃），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。然而，德国、日本科学家却相继发现了打破这一定律的物质。而两组中国团队更是几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K 的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体，在国际上引起极大轰动。随后，一个来自中科院的研究组将该类铁砷化合物

铁基高温超导体研究进展

物理四38卷(2009年)9期 h t t p :∕∕w w w.w u l i .a c .c n 铁基超导体专题 铁基高温超导体研究进展* 陈仙辉? (中国科学技术大学物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026 )摘 要 最近,由于在铁基L n (O ,F )F e A s 化合物及其相关化合物中发现具有高于40K 的超导电性,层状的铁基化合物引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括:(1)铁基超导材料探索研究;(2) 铁基超导体的单晶制备及物性研究;(3)铁基超导体的电子相图及自旋密度波(S DW )和超导共存研究;(4)同位素交换对超导转变和S DW 转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.关键词 铁基超导体,自旋密度波,相图,结构相变 N e w i r o n -p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r s C H E N X i a n - H u i ? (H e f e iN a t i o n a lL a b o r a t o r y f o rP h y s i c a l S c i e n c e a tM i c r o s c a l e a n dD e p a r t m e n t o f P h y s i c s ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ,H e f e i 230026,C h i n a )A b s t r a c t T h ed i s c o v e r y o f s u p e r c o n d u c t i v i t y w i t hac r i t i c a l t e m p e r a t u r e (T c )h i g h e r t h a n40Ki nt h e i r o na r s e n i d eL n (O ,F )F e A s h a s d r a w nm u c h i n t e r e s t i n c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s .L a t e r d i s c o v e r i e s ,i n c l u -d i n g t h e e n h a n c e m e n t o f T c u p t o 55K ,h a s e v o k e d i n t e n s e e x c i t e m e n t i n t h e p i l g r i m a g e t o w a r d s t h e u n d e r -s t a n d i n g o f t h em e c h a n i s mo f h i g hT c s u p e r c o n d u c t i v i t y ,w h i l e p r o v i d i n g a b r a n d n e wf a m i l y o fm a t e r i a l s t o a d d r e s s t h i s i s s u e .I n t h i s r e v i e ww e p r e s e n t o u r g r o u p 'sm a j o r r e s e a r c h o n n e w i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s ,i n c l u d i n g :(1)o u r i n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s ;(2)t h e s y n t h e s i s o f i r o n a r s e n i d e s i n g l e c r y s t a l s a n d t h e c h a r a c t e r -i z a t i o no f i t s p h y s i c a l p r o p e r t i e s ;(3)t h e e l e c t r o n i c p h a s e d i a g r a mo f i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s a n d t h e c o -e x i s t e n c eb e t w e e n s p i n d e n s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ;(4)t h e e f f e c t o f i s o t o p e e x c h a n g e o n s p i n d e n -s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n s .T o f i n i s h ,w e p r o p o s e p o s s i b l e f u t u r e d i r e c t i o n s i n t h i s f i e l d .K e y w o r d s i r o n - p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r ,s p i nd e n s i t y w a v e (S DW ),p h a s e d i a g r a m ,s t r u c t u r a l t r a n s i t i o n * 国家自然科学基金二 国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B 601001,2006C B 922005 )和中国科学院资助项目2009-07-15收到 ? E m a i l :c h e n x h @u s t c .e d u .c n 1 引言 1986年,I B M 研究实验室的物理学家B e d n o r z (柏诺兹)和M ül l e r (缪勒)发现了临界温度为35K (零下238.15℃)的镧钡铜氧超导体[1]. 这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现.自那以后,铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点.然而直至今日,铜基高温超导机制仍未解决,这使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一.因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,能够从不同的 角度去研究高温超导机制,最终解决高温超导的机制问题. 最近,由于在铁基L a O 1-x F x F e A s (x =0.05 0.12)化合物中发现有26K 的超导电性[2] , 层状的Z r C u S i A s 型结构的L n O MP n (L n =L a ,P r ,C e ,S m ;M =F e ,C o ,N i ,R u 和P n =P 和A s )化合物引起了科学家很大的兴趣和关注[3,4] .2008年3月, 四 906四

超导体材料

超导体材料 超导体的定义 1911年，荷兰发明氦液化器的昂尼斯〔H.K.Onnes)偶然发现，在液氦温度(4.2K)下，汞的电阻突然消失，这种现象被称为超导。但是，象汞这样金属的超导状态在很弱的磁场中就会被破坏。进一步的研究表明，要成为超导状态，温度丁，磁场强度H和电流密度J都必须分别处于临界温度T c，临界磁场强度H c和临界电流密度J c以下。如图1所示，在T-H-J 坐标空间中有一个临界面，其内部就是超导状态。临界条件下具有超导性的物质称为超导材料或超导体。 图 1 超导状态的T-H-J临界面（区面内：超导状态；曲面外：正常状态） 【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】 超导体的应用 50年代后期，发现超导状态的温度提高，而且发现丁能产生强磁场的银及钒的合金和化合物，促使超导现象的应用登上了科技舞台。由于电阻近于0Ω，在超导体内流动的电流将没有损耗．这样，很细的导线就可以通过很强的电流，可产生很强的磁场。问题是它必须在液氦温度下工作，液氮的价格、供应和使用方式使得它的普遍应用受到了严格的限制。即使如此，超导磁体仍大量被使用于加速器、聚变装置、核磁共振和磁分析等仪器上。例如美国费密实验室用了1000多个超导磁体，每年的被氮费用高达500万美元，但因此而节省的电力为18500万美元；美国于1990年建成的周长为83km的超级质子对撞机使用10000个超导磁体，每年可节省电力6亿美元。【唐小真,杨宏秀,丁马太.材料化学导论[M].高等教育出社,1997.】超导核磁共振层析仪能给出人体任一部位的剖面图．其分辨本领远远超过x射线或超声层祈仪．是现代高级医院重要的诊断设备之一。 超导技术在医疗上可用于外科手术。例如导管牵引术，将导管插入血管后，靠强磁体引导到脑部等血管瘤部位后，将磁性胶体注入血管，靠强磁体引导到肿瘤前提供血管定位，使给养阻塞，从而使肿瘤萎缩死亡。【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】利用超导体送电的超导电缆已经出现，利用超导体储存电能的超导储能器可在瞬间释放出极强的电能。这种储能器为激光技术提供了储存条件。它可将强电流存储在超导线圈之中，然后启动开关，一瞬间便会释放出巨能，从而发出强大的激光。 用超导体做的超导磁体，可以得到极强的磁场。因为超导线圈没有电阻，超导磁体可以比普通电磁体轻得多：几千克超导磁体抵得上几十吨常规磁体产生的磁场这将给电力工业带来一系列的变革，发电机会因使用超导体而提高输出功率几十倍、上百倍；已试制出来的

铁基高温超导体的研究进展及展望

2008年 第53卷 第19期: 2265 ~ 2273 https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, 2265 《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 评 述 铁基高温超导体的研究进展及展望 方磊, 闻海虎* 中国科学院物理研究所超导国家重点实验室, 北京 100190 * 联系人, E-mail: hhwen@https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, 2008-07-21收稿, 2008-09-03接受 摘要 自从2008年2月末F 掺杂的LaFeAsO 被报道有26 K 的超导电性后, 基于此体系材料的超导转变温度在短短几个月中被迅速地提高到55 K, 很多新超导体被发现, 同时人们对具有更高临界转变温度的新超导材料充满希望. 本文简要地回顾了这种体系中材料的探索、制备以及设计, 另外在理论和实验上对其超导机理的认识也给予了介绍和总结. 最后基于目前的实验数据, 对铁基超导体和铜氧化物高温超导体的重要物理参数进行了比较, 同时展望了这种新超导体的应用前景. 关键词 铁基超导体 超导转变温度 ZrCuSiAs 结构配对对称性 超导是一种宏观量子现象, 费米面上动量相反的电子配成对, 同时建立长程的位相相干进而发生凝聚, 其结果是超导体在临界温度下电阻的消失(零电阻)和对磁力线的排斥(完全抗磁性). 在正常金属中, 电子在一个充满各种振动的背景中运动, 最普通的是晶格的振动. 晶格的振动模可以被一种称为“声子”的元激发进行描述. 电子和声子碰撞后损失了动能进而导致能量的损耗. 这也就是正常金属在有限温度下电阻的来源. 然而在零温极限下所有的振动模式都停止了(不计量子涨落), 所以一个干净的系统中能量的损耗和电阻率都是为零的. 对于一个超导体而言, 费米面上的电子两两吸引形成束缚对, 这种束缚的电子对被称为库珀对. 库珀对服从玻色统计, 在临界温度(T c )下发生凝聚. 这种凝聚态具有很长的相干长度, 因而对晶格振动导致的局域散射不敏感, 所以输运上并不损耗能量, 电阻率可以在较高温度(T c 以下)保持为零. 与此同时, Ⅱ类超导体具有在很高的磁场下承载巨大电流密度的优越性能, 人们因此对高临界温度的新超导体充满了期望. 人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年, 在最初的几十年中, 新超导体的探索主要集中在单元素材料和多元素合金上. 然而这些材料的超导转变温度不超过23 K(Nb 3Ge)[1]. 一个重大的突破发生 在1986年底, 在IBM Zurich 工作的Bednorz 和 Muller [2]发现铜氧化物LaBaCuO 的超导转变温度高于30 K. 自此寻找更高T c 的超导体的浪潮席卷全世界, 在短短的几年中, 铜氧化物超导转变温度被提升到134 K(常压)和164 K(高压). 然而铜氧化物超导体的相干长度非常短, 各向异性度很高, 又因为是陶瓷, 所以材质很脆, 这些不利因素都妨碍了它在工业上大规模的应用. 所以, 超导界的科学家们一直希望发现另外一种非铜氧基的高温超导体, 并且这种超导体具备更优异的性质. 转机发生在2008年的2月末, 日本东京工业学院Hosono 教授的研究小组发现在母体材料LaFeAsO 中掺杂F 元素可以实现26 K 的超导电性[3]. 此类母体材料的研究历史可以追溯到1974年美国杜邦公司Johnson 等人[4]在寻找新的功能材料中的工作. 随后, 一个德国的研究组合成了系列的具有同样ZrCuSiAs 结构的新材料[5]. 这些新材料被取名为四元磷氧化物LnOMPn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy; M=Mn, Fe, Co, Ni; Pn=P, As). 图1是LaFeAsO 的基本结构. 这个体系空间群为P4/nmm, 具有四方的层状结构, 在c 方向上以—(LnO)2-(MP)2-(LnO)2—形式交替堆砌, 一个单胞中有两个分子LnOMP. 对于母体材料而言, 层和层之间电荷是平衡的, 例如,

铁基超导体

铁基超导体 对于现代人来说，超导已经不再是一件什么神秘的事情了，普通的中学生就已经知道了所谓的超导现象：当导体的温度降到一个临界温度时电阻会突然变为零。处于超导状态的导体称之为超导体。超导体除了电阻为零的特殊性质之外，人们后来又发现了它的另一个神奇的性质——完全抗磁性，也就是说超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场也完全“排挤”出去。这一现象也被称为“迈斯纳效应”。正是由于超导体的这一性质，而铁基材料通常具有铁磁性，因此被认为最不具备成为高温超导材料的条件。但最近的科研结果却打破了这一传统的束缚，铁基超导材料成为了高温超导研究领域的一个“重大进展”。 铁基超导体的发现历程 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。1986年，美国科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点，超导体的临界温度也不断“飙升”，在短短几年中，铜氧化合物的超导临界转变温度就被提高到134K（常压）和164K（高压）。然而直至今日，对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。

2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授Hosono的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。其实在2006和2007年Hideo Hosono小组就已经分别报道在LaFePO 和LaNiPO 材料中发现转变温度为2到7K的 超导电性。但这一次却立刻引发 了人们对这一体系的强烈关注 （下图为LaFeAsO的晶体结构）。 3月14日，中科院物理所闻海虎， 在镧氧铁砷 (LaOFeAs) 材料中用二价金属替换三价的La，在空穴型掺杂中取得重要进展，临界温度达到25K。3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文（零下230.15℃）时也变成超导体。3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告，氟掺杂镨氧铁砷化合物的高温超导临界温度可达52开尔文（零下221.15℃）。4月13日该科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可进一步提升至55开尔文（零下218.15℃，将这场追求铁基高临界温度的竞争推向高潮，并保持着目前为止铁基超导体的临界温度最高纪录。 新的超导机制有望取得突破

铁基超导材料研究进展_郭巧琴

2015年2月（上） 铁基超导材料研究进展 郭巧琴 （西安工业大学材料与化工学院，陕西西安７１００３２） ［摘要］本文首先对铁基超导体的发现历史进行了阐述，接着对不同结构体系的铁基超导材料的研究进展进行了详细论述。最后对铁基超导材料进行了总结与展望。 ［关键词］铁基超导体；晶格结构；高温超导电性；晶体生长 超导是某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。１９１１年，ＨｅｉｋｅＫａｍｍｅｒｌｉｎｇｈＯｎｎｅｓ发现当温度降至０ｋ时，金属汞的电阻降到４．２ｋ［１￣２］。同时发现其他金属也有相似现象，从此超导研究开始了。 超导材料可分为传统超导和非传统超导。随后，重费米子超导体，铜基超导体，有机超导体和铁基超导体先后被发现。１９８６年，铜氧化高温导体的发现促使了超导材料的研究。 ２００８年２月底，日本东京工业大学Ｈｏｓｏｎｏ教授领导的研究小组报道在铁基层状化合物ＬａＦｅＡｓＯ中通过Ｆ掺杂发现了高达２６Ｋ的超导电性。 这引发了凝聚态物理界对超导的关注。铁基超导体的研究和发现已被美国《Ｓｃｉｅｎｃｅ》杂志评为２００８年世界十大科技进展之一［３］。 1铁基超导研究进展 与铜基超导材料不同，铁有５个３ｄ轨道，且均在费米能级周围，未掺杂铁基超导体具有抗磁性，这一点与铜基超导体也不同。最初发现的ＬａＦｅＡｓＯ铁基高温超导材料具有四方相层状结构，和ＺｒＣｕＳｉＡｓ结构相似。 但是，由于铁基超导体超导转变温度较低，人们并未广泛关注。直至二零零八年二月，Ｔｃ为２６Ｋ的ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ才被人们发现。 之后，用其他稀土元素，包括从Ｃｅ￣Ｓｍ的所有轻稀土元素，以及Ｇｄ，Ｔｂ和Ｄｙ等重稀土元素，均可完全替换掉Ｌａ，便可得到Ｔｃ在５０～５６Ｋ的超导体。 近年来探索铁基超导新材料领域的主要研究工作是氟基系列母体如ＡＥＦｅＡｓＦ的发现。 二零零八年十月日本Ｈｏｓｏｎｏ课题组报道了Ｔｃ＝２２Ｋ的超导体ＣａＦｅ１－ｘＣｏｘＡｓＦ［４］。 几乎同一时间，中国科学研究院物理研究所闻海虎课题研究小组也独立报道了发现ＡＥＦｅＡｓＦ系列母体。 该研究组通过稀土元素在ＡＥ位上的取代，合成了一系列新的具有高临界温度的铁基超导体材料。 闻海虎等人通过在ＬａＦｅＡｓＯ中，利用＋２价的Ｓｒ离子部分取代＋３价的Ｌａ离子，在ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ中发现了Ｔｃ＝２５Ｋ的超导电性。沿着这个研究思路，人们逐渐发现了Ｐｒ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ与Ｎｄ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ等空穴型铁基超导体［５］。 基于ＬｎＭＰｎＯ母体的铁基超导体（又名为ＦｅＡｓ－１１１１相结构）的发现，使人们对逐渐对ＦｅＡｓ层对于高温超导电性的重要性有了新的认识。 中国科学研究院物理研究所王楠林课题组和闻海虎课题组分别地进行了新型ＬａＦｅＡｓＯＦ铁基超导体材料输运性质测量研究［６］。 目前，多种不同结构体系的铁基超导体已经被开发研究出来，其主要体系有ＲｅＦｅＡｓＯ（１１１１体系）、ＬｉＦｅＡｓ或ＮａＦｅＡｓ（１１１体系）、ＡＦｅ２Ａｓ２（１２２体系）等。 在已知道的１２２和１１１１体系，层间耦合的强弱，决定了未掺杂的母体均发生反铁磁自旋密度波（ＳＤＷ）相变和结构相变的先后次序。封东来等通过对ＫｘＦｅ２Ｓｅ２进行各种本地和同步辐射实验测试，终于获得了完整的电子结构，并且测得了各向同性的ｓ波超导能隙［７］。 令人惊奇的是，这种材料的电子结构和以往的铁基超导体完全不同：整个费米面没有空穴，而只存在电子。 封东来教授课题组的这一研究发现意味着，ＫｘＦｅ２Ｓｅ２这种新的铁基超导体的配对机制及超导对称性都与其他已知铁基超导体不同，之前建立的铁基超导体的普遍图像将可能遭到颠覆。 陈仙辉等人利用ＦｅＡｓ自助熔剂法合成制备了新的１２２母体单晶材料ＥｕＦｅ２Ａｓ２，并对Ｅｕ位的Ｌａ掺杂单晶材料进行了制备生长。 之后，比较系统地测试了Ｌａ掺杂ＥｕＦｅ２Ａｓ２单晶材料在不同磁场中的磁化率、电阻率和比热，研究结果发现Ｅｕ２＋的磁性子的晶格具有变磁性，在一定的磁场中会发生Ａ型反铁磁性到铁磁性的转变。 随磁场强度增加，比热波动被控制，并且向低温方向转移，到达临界磁场强度后继续增强磁场，比热峰继而向高温方向漂移，该行为可导致变磁性。 在反铁磁态时，磁化率拥有有与ＳＤＷ相同的两度对称性，但是在铁磁态时，该两度对称磁化率行为将消失； 此外，当ＳＤＷ随镧掺杂被压制时，铁磁态更易在磁场下形成。 由此，便提出了各向异性的交换模型来理解实验现象。最后给出了ｘ＝０和０．１５单晶样品的详细的Ｈ－Ｔ相图和可能的磁结构［８］。 美国能源部橡树岭国家实验室的Ｓｉｎｇｈ等人对ＦｅＳｅ、ＦｅＳ和ＦｅＴｅ的电子结构、费米面、声子谱、磁性、电声耦合等进行了等密度泛函计算研究，提出掺杂的ＦｅＴｅ和Ｆｅ（Ｓｅ，Ｔｅ）都可能具有超导电性，特别是ＦｅＴｅ的自旋密度波具有更强的稳定性，因此掺杂的ＦｅＴｅ可能会拥有比ＦｅＳｅ更高的临界温度。 美国杜兰大学Ｍａｏ领导的研究小组制备出Ｆｅ（Ｓｅ１ｘＴｅｘ）０．８２系列多晶样品，发现０≤ｘ＜０．１５和０．３＜ｘ＜１．０两种超导相，在０．１５≤ｘ≤０．３范围内，两种超导相共存，在０．３＜ｘ＜１．０范围内，常压Ｔｃ最高可以达到１４Ｋ。 更为重要的是，研究发现只有当样品变为ＦｅＴｅ０．８２时，超导现象才会被抑制［９，１０］。Ｔａｋａｎｏ小组宣布用固相反应法成功合成了新型铁基超导材料ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ（ｘ＝０．１，０．２）。 研究结果显示，Ｓ取代效应抑制了母体ＦｅＴｅ在８０Ｋ时结构相的转变，这成为ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ实现超导体的关键所在。 王楠林课题组借助Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长出Ｆｅ１．０５Ｔｅ和Ｆｅ１．０３Ｓｅ０．３０Ｔｅ０．７０单晶样品，并开展了细致的物性研究工作，揭示出额外铁离子对其性质的重要影响。 2总结与展望 铁基超导体具有高的、非常规的上临界场和较小的各向异性，并且相对铜氧化物超导体具有更大的想干长度，这些导致这类材料具有很大的应用潜力。 就机理而言，反铁磁涨落对超导是否有直接影响非常重要。所有欠掺杂的铁基超导材料反铁磁序是非常值得研究人员所探索的。阐明超导机理、费米面的形态以及其随掺杂的演化规律均可从单晶样品上获得可靠数据。 具有更高Ｔｃ的新超导体的发现可以从空穴掺杂、新结构或者多层的思路去探索研究。 铁基超导材料研究正在持续升温，新的发现层出不穷。 我国科研机构，特别是中国科学院，开展了卓有成效的研究工作，在以新型铁基超导体研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮 ２６

铁基超导体材料

[键入公司名称] 铁基超导体材料[键入文档副标题] 吕鸿燕 14园林本2 1407220221

铁基超导体材料 以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。之前，这一奖项已经连续3年空缺。 超导，全称超导电性，是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。 超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。 通常的低温超导材料中，电子是通过晶格各结点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为，这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开尔文（零下135.15℃）的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜－氧”面组成，其中的电子是如何成对的，仍是未解难题。 在超导研究的历史上，已经有10人获得了5次诺贝尔奖，其科学重要性不言而喻。目前，超导的机理以及全新超导体的探索是物理学界最重要的前沿问题之一。它仿佛是镶嵌在山巅的一颗璀璨明珠，吸引着全世界无数的物理学家甘愿为之攀登终生。同时，超导在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景，受到人们的广泛关注。 继铜基超导材料之后，日本和中国科学家最近相继报告发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说，物理学界认为这是高温超导研究领域的一个“重大进展”。 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。1986年，科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。

铁基超导体研究取得重要进展

铁基超导体研究取得重要进展 [本刊讯]近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、中国科学院强耦合量子材料物理实验室的陈仙辉教授研究组在铁基超导研究领域取得了重大进展，成功发现了一种新的铁基超导材料（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，其超导转变温度高达40开以上，并与美国国家标准技术研究所中子研究中心的黄清镇博士以及中科大吴涛教授等几个研究组合作，确定了该新材料的晶体结构并发现超导电性和反铁磁共存。相关研究成果在线发表在12月15日的Nature Materials上。 铁基高温超导体是目前凝聚态物理领域的研究热点，其机理还没有得到完全理解，FeSe类超导体以其诸多独特的性质被认为是研究铁基超导机理的理想材料体系。尤其是近期报道的生长于SrTiO3衬底上的FeSe单层薄膜的零电阻转变温度高达100开以上，更加激起了科学家对于这一体系的浓厚兴趣。然而，对于FeSe类超导材料，目前研究较为广泛的AxFe2Se2（A=K，Rb，Cs）体系存在严重的相分离，反铁磁绝缘相与超导相的共生导致该类材料的结构与性质非常复杂，从而使得研究其内在的物理机制变得非常困难。而FeSe 单层薄膜以及通过液氨等低温液相插层方法合成的Lix（NH2）y（NH3）1-yFe2Se2等化合物在空气中极不稳定，无法深入研究其物理性质。为了能够深入探究铁基高温超导的物理机制，亟需寻找到新的具有高的超导转变温度且空气稳定。并适合物理测量的FeSe类超导材料。 陈仙辉研究组首次利用水热反应方法成功发现了一种新的FeSe类超导材料（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，超导转变温度高达40开以上。通过结合X射线衍射。中子散射和核磁共振三种技术手段精确确定了该新材料的晶体结构。此外，发现该结构中严重畸变的FeSe4四面体

高温超导理论

摘要 迄今（2010年）距发现高温铜氧化物超导体已25年，各派观点百家争鸣。高温氧化物超导体所涉及的物理内涵异常丰富，随着掺杂程度的变化它展现出反铁磁性、半导导电行为、超导电性、强关联电子系统以及新型金属行为等。在这里着重介绍高温超导理论中的Anderson 的空穴子（holon ）和自旋子（spin ）理论，Schrieffer 的自旋袋(spin bag)机制，邻近反铁磁的超导理论，以及Varma 的“边缘”费米液体理论等。并在最后介绍了一些关于高温超导的最新研究进展。 1．Anderson 非费米液体高温超导理论 主张高温铜氧化物超导体正常态是非费米液体的代表人物是P.W.Anderson 。1987年他提出：高温铜氧化物超导体的母体绝缘相是共振价键态或称量子自旋液体。这一理论是基于高温铜氧化物与反铁磁的邻近性，邻近金属-绝缘体相变，绝缘磁相为低自旋，具二维性和载流子密度低等特点提出的。该理论的基本突出点是：认为电荷和自旋自由度明显的分开，这与费米液体的基本点不同。 Pauling 于1938年首先提出金属的共振价键理论。Pauling 理论认为，在相邻原子上，自旋相反的两轨道电子形成共价键，而这些共价键可以在两个以上的位置之间共振（RVB ）。1973年Anderson 在针对反铁磁体的奈耳态(Neel state)和spin-peierls 态的讨论中提出了RVB 态新的绝缘体；他认为至少在二维三角格子、自旋S=1/2的反铁磁体中的反铁磁基态，可能是Bethe 在反铁磁线链上提出的单重态配对（singlet ）态类似体。Anderson 进而提出，经高阶能量修正计算表明，诸单重态配对的移动或“共振”使其状态更稳定。1987年Anderson 最为基本假设提出：母化合物La 2CuO 4的绝缘态是共振价键态（RVB 态），在共振价键态中预先存在有最近邻自旋单重态配对，在以少量二价离子（Sr 2+,Ba 2+等）掺杂后使原母化合物系统金属化，它们就对产生超导电性起作用。 对于沿格矢τ可迁移的价键中电子对可写 00 )exp ())i i i k k k b C C C C i k τττ+++↑+↓ ++ ↑-↓ ψ= ψ=ψ∑∑ （1） 对所有最近邻键的线性组合为 nn nn b b ττ ++=<> = ∑ （2） 若考虑键长分布则可写为 ()k k k b a k C C +++↑-↓ =∑ （3） 而 ()0k a k =∑ （4） 根据Hirsch 的工作，Anderson 认为对二维简单方格子也可有RVB 态。

铁基超导材料制备研究进展

2009年第54卷第5期:557~568《中国科学》杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 评述 铁基超导材料制备研究进展 马廷灿, 万勇, 姜山 中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部, 武汉 430071 E-mail: matingcan@https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, 2008-12-24收稿, 2009-01-22接受 摘要超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理.2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K的新型超导材料——LaO1?x F x FeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数. 关键词 铁基超导 氧磷族元素化合物临界温度 上临界磁场 固相反应法 自熔法 20世纪最后10年中, 具有ZrCuSiAs结构的稀土过渡金属氧磷族元素化合物陆续被发现, 但研究人员并未发现其中的超导现象[1,2]. 2006年和2007年, 日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授带领的研究小组(以下简称“细野秀雄小组”)先后发现LaOFeP[3]和LaNiPO[4]在低温下展现出超导电性, 但是由于临界温度皆在10 K以下, 并没有引起特别的关注及兴趣. 2008年1月初, 细野秀雄小组发现在铁基氧磷族元素化合物LaOFeAs中, 将部分氧以掺杂的方式用氟取代, 可使LaO1?x F x FeAs的临界温度达到26 K[5], 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置: 3月初, 中国科学院物理研究所王楠林研究员领导的研究小组(以下简称“王楠林小组”)很快就合成了LaO0.9F0.1-δFeAs多晶样品, 并测量了基本物理性质[6]; 3月中旬, 中国科学院物理研究所闻海虎研究员领导的研究小组(以下简称“闻海虎小组”)成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料——La1?x Sr x OfeAs[7]; 3月25日和3月26日, 中国科学技术大学陈仙辉教授领导的研究小组(以下简称“陈仙辉小组”)[8]和中国科学院物理研究所王楠林小组[9]分别独立发现临界温度超过40 K的超导体; 3月29日, 中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的小组(以下简称“赵忠贤小组”)发现PrO1?x F x FeAs的超导转变温度可达52 K[10]. 4月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO1?x F x FeAs[11]和REFeAsO1?δ[12]超导转变温度进一步升至55 K等. 此外, 研究人员也在不断探索新型铁基超导材料的应用. 4月下旬, 中国科学院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究员领带的研究小组(以下简称“马衍伟小组”)率先成功研制出超导起始转变温度达25 K的LaO1?x F x FeAs线材[13]. 在此基础上, 该小组与闻海虎小组合作又制备出超导起始转变温度高达52 K的SmO1?x F x FeAs线材[14]. 另据报道, 细野秀雄小组已经在新型铁基超导薄膜制作上取得初步成功[15]. 目前, 根据母体化合物的组成比和晶体结构, 新 https://www.docsj.com/doc/af17575271.html, https://www.docsj.com/doc/af17575271.html,557

铁基超导

铁基超导 超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。 传统的解释常规超导体的超导电性的微观理论预言，超导体的最高温度不会超过麦克米兰极限的39K。在以往的研究中，只有1987年发现的铜氧化合物超导体打破了这一极限，被称为高温超导体。最近，在铁基磷族化合物中发现的超导电性其超导临界温度可达55K，同样突破了传统理论预言的麦克米兰极限。这是第一个非铜基的高温超导体，掀起了高温超导研究的又一次热潮。 铁基超导的研究进入了一个空前发展的阶段，各国都在进行这一新材料的研究，铁基超导体薄膜研究进展与铁基超导体大同位素效应就是其中的热点。 从2008年新的铁基高温超导体发现以来，铁基超导薄膜的研究进展相对缓慢。这是因为较难精确控制人们所需要的亚稳相中的多元素配比、以及多种热力学相之间的互相竞争。由于元素配比和不同热力学相竞争所导致的较少量的杂质，在块状材料的合成中有时可以接受，但对低维的薄膜材料却不能允许。迄今已发现四种主要晶体结构的铁基超导体，包括含砷或磷（chalcogens）的1111相、122相、111相，以及含氧硫族元素（pnictogens）的11相。它们都具有超导的Fe-X （X为As、P、Se、S或Te等）层，且前三类超导体中这些层由La-O等隔离层隔开，而超导的11相FeSe、Fe(Se,Te)只有Fe-X层，晶体结构最简单。目前人们只得到了11相的单相、外延、超导薄膜。而对含砷的铁基超导体而言，经过近两年的探索，仍未能得到单相的超导薄膜。 中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导实验室的曹立 新副研究员带领博士生韩烨、李位勇，与相关科研人员合作，在国际上率先制备出单相的外延FeSe超导薄膜（第十届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，大连，2008年10月11日-15日），率先发表文章（Journal of Physics: Condensed Matter 21, 235702, 2009），并申请了国家专利。 此后，他们又系统研究了FeSe 、Fe(Se,Te)以及FeTe薄膜，他们发现FeTe 母体在薄膜状态下超导，转变温度13 K，接近Fe(Se,Te)固溶体所能达到的最高值，远高于FeSe薄膜的超导转变温度。而到目前为止，FeTe块材在常压和高压状态下都没有发现超导。人们普遍认为铁基超导电性与自旋密度波密切相关，实验发现高压下自旋涨落在FeSe中明显增强而且超导转变温度提高到37 K；同时，理论计算表明FeTe比FeSe有更强的自旋涨落并可能有更高的超导转变温度。但是实验上FeTe并没有在高压下观察到预期的现象。曹立新等人注意到，在超导的FeTe薄膜中，晶格在生长平面内不是被压缩，而是被拉伸，类似于一种“负压力效应”。同时他们发现，在非超导的FeTe块材中70 K左右出现的结构和自旋涨落的一级相变，在超导薄膜中被明显弱化。 图1 在4种不同基片上沉积生长的FeTe超导薄膜的X射线衍射图谱，32个薄膜的c-轴晶格常数，以及薄膜中Fe-Te-Fe键角的变化情况。可以看出，超导的FeTe薄膜表现出较小的c-轴和较大的a-轴晶格常数以及显著增大的 Fe-Te-Fe键角。

高温超导材料

高温超导材料 樊世敏 摘要自从1911年发现超导材料以来，先后经历了简单金属、合金，再到复杂化合物，超导转变温度也逐渐提高，目前，已经提高到164K(高压状态下)。本文主要介绍高温超导材料中的其中三类：钇系(YBCO)、铋系(BSCCO)和二硼化镁)，以及高温超导材料的应用。与目前主要应用领域相结合，对高温超导材(MgB 2 料的发展方向提出展望。 关键词高温超导材料，超导特性，高温超导应用 1引言 超导材料的发现和发展已经有将近百年的历史，前期超导材料的温度一直处于低温领域，发展缓慢。直到1986年，高温超导（HTS）材料的发现，才进一步激发了研究高温超导材料的热潮。经过20多年的发展，已经形成工艺成熟的第一代HTS带材--BSCCO带材，目前正在研发第二代HTS带材--YBCO涂层导体，近一步强化了HTS带材在强电领域中的应用。与此同时，HTS薄膜和HTS块材的制备工艺也在不断地发展和完善，前者己经在强电领域得到了很好的应用，后者则在弱电领域中得到应用，并且有着非常广阔的应用前景。 2高温超导体的发现简史 20世纪初，荷兰莱顿实验室科学家卡默林昂尼斯（H K Onnes）等人的不断努力下，将氦气液化［1-7］，在随后的1911年，昂尼斯等人测量了金属汞的低温电阻，发现了超导电性这一特殊的物理现象。引起了科学家对超导材料的研究热潮。从1911到1932年间，以研究元素超导为主，除汞以外，又发现了Pb、Sn、Nb等众多的金属元素超导体；从1932到1953年间，则发现了许多具有超导电性的合金，以及NaCl结构的过渡金属碳化合物和氮化物，临界转变温度（Tc）得到了进一步 Sn等超导体。直到1986提高；随后，在1953到1973年间，发现了Tc大于17K的Nb 3 年，美国国际商用机器公司在瑞士黎世实验室的科学家柏诺兹（J. G. Bednorz）和缪勒（K. A.Müller）首先制备出了Tc为35K的镧-钡-铜-氧（La-Ba-Cu-O）高温氧化物超导体，高温超导材料的研究才取得了重大突破［10,11］。临界转变温度超过90K的钇-钡-铜-氧等一系列高温氧化物超导体被发现，成为了高温超导材料

高温超导材料及应用

高温超导材料及应用 《物理学在高新技术材料中的应用》 主要内容 .超导体的基本知识 .超导研究的历史 .高温超导体的发现和特性 .铁基高温超导体新进展 .超导材料的应用 一、超导体的基本知识 1、超导体的零电阻特性 .电阻为零R=0 （Superconductor） TC：超导临界温 度，T

高温超导体YBCO的电阻-温度曲线 2. Meissner效应 Meissner效应(完全抗磁性, 理想抗磁性) 完全抗磁性是指磁场中的金属处于超导状态时，体内的磁感应强度为零的现象。这一现象是荷兰科学家迈斯纳发现的，因此又称为迈斯纳效应。他在实验中发现，放在磁场中的球形的锡在过渡到超导态的时候，锡球周围的磁场都突然发生了变化，磁力线似乎一下子被排斥到导体之外。进一步研究发现，原来超导体表面能够产生一个无损耗的抗磁超导电流，这一电流产生的磁场，恰巧抵消了超导体内部的磁场。 磁感应强度B=0(超导体内) Meissner 和Ochsenfeld 1933年发现 ----和理想导体不同 ----存在一临界磁场 H> HC 超导态到.正常态 7 完全抗磁性 球体 置于外磁场中的超导体会表现出完全抗磁性，即超导体内部磁感应强度恒为零的现象—称为“迈斯纳效应” Meissner 效应 由于Meissner效应，磁铁和超导体之间存在很强的排斥作用，----磁悬浮 右图：小磁体悬浮在超导体上。 3. 表征超导体的重要物理量 .超导临界温度：Tc ~ 165 K (5万大气压), record, Hg-1223 .临界磁场：Hc .穿透深度：. λ磁场在超导体表面穿透进入超导体的深度，~ 10 –100 nm