铁基超导材料制备研究进展

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铁基超导材料制备研究进展摘要：首先冋顾了发现铁基超导体的丿力史，然后从材料学的角度，根据晶体结构的不同，系统地介绍和总结了目前发现的所有铁基超导材料。同时简要介绍了近期新铁基超导材料探索方而的进展以及单晶生长方而的工作。最后根据铁基超导体表现出来的奇特物理性质展望了铁基超导体的物理研究和应用前景。关键词：铁基超导体；晶格结构；高温超导电性；晶体生长刖舌1986年铜氧化物高温超导体的发现，在世界范围内掀起了研究和探索高温超导电性的热潮，时至今日依然是凝聚态物理领域内最受关注的问题之一⑴。铁基超导体是指化合物中含有铁，在低温时具有超导现象，且铁扮演形成超导的主体的材料。2006年日本东京工业大学HideoHosono教授的团队发现第一个以铁为超导主体的化合物LaFeOPt2］,打破以往普遍认定铁元素不利形成超导迷思。根据BCS理论，产生超导性的必要条件是材料中的电子必须配对，这样配对的电子称为库柏对。库柏对小的两个电子自旋相反，所以总自旋为零，因而科学家认为超导性与铁磁性可能无法共存，材料中如果加入磁性元素（如铁、牒）会大大降低超导性。铁基超导体虽然含有铁元素冃是产生超导的主体，但是铁和其他元素（如砒、硒）形成铁基平面后，已不再具有铁磁性。2008年二月初，HideoHosono教授的团队再度发表铁基层状材料LatO^FjFeAs（x=0o05-0。12）在绝对温度26K时存在超导性［3］（图1）,从此研究铁基超导体便在世界上形成一股热潮。引起许多科学家的兴趣的重要原I大I之一在于铁基超导体的结构与高温超导的铜氧平面类似，超导性发生在铁基平面上，属于二维的超导材料。因此尽管铁基超导体的临界温度只有数十K,研究铁基超导体可能有助于了解高温超导的机制。 虽然早在1986年，科学家发现了第一种高温超导材料一一鋼倾铜氧化物。自那以后，然而直至今口，对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成-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I才I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。就在2008年2丿J,FI本科学家首先报告说，氟掺杂侧氧铁神化合物在临界温度26开尔文（零下247o15°C）时，即具有超导特性。3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂侈氧铁不巾化合物在临界温度43开尔文（零下230。15°C）时也变成超导体⑷。3月28H,屮国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告，氟掺杂错氧铁不巾化合物的高温超导临界温度可达52开尔文（零下221。15°C）。4月13口该科研小组又冇新发现：氟掺杂彩氧铁神化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可进-步提升至55开尔文（零下218o15°C）o此外，屮科院物理所闻海虎领导的科研小组还报告，總掺杂澜氧铁币申化合物的超导临界温度为25开尔文（零下248o15°C）。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，会因为金属品格的不完整性（如缺陷或朵质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电了能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电了 即成对，这时金屈要想阻碍电子运动，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，屯子是通过品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，这一电了对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开尔文（零下135O15°C）的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜一氧”面组成，其屮的电子是如何成对的，仍是未解难题。屮H科学家新发现的这一系列铁基超导材料都具有相同的晶体结构，它们在有些方面与铜基超导材料惊人地相似。但是计算表明，这些铁基超导材料的晶格振动提供的电子对结合力量，不足以使材料超导临界温度达到如此高的水平。因此，摆在物理学家面前的一个新问题是，新老两类材料的高温超导机制是否一样？诺贝尔奖获得者、美国普林斯顿大学理论物理学家菲利普•安徳森说，假如不一样，那就意味着新材料的发现比预想的耍重要得多，也许能从中发现全新的超导机制。闻海虎认为，新的铁基超导材料冇口J能会为探究高温超导机制提供一个更清晰的体系，在此基础上，铜基超导材料的高温超导机制“可能会一下子变清晰”。但是，也有科学家持有异议。美国斯坦福大学科学家史蒂夫•基沃尔森就认为，两类材料都是成面结构，都是从导电性能很差的材料转化而來，而且都表现出一种名为“反铁磁性”的磁特性。他说：“两者具有足够的相似性，因此可以假设，它们是木质和同的高温超导材料。”不过，科学家们都认同一点，那就是新的铁基超导材料将激发物理学界新一轮的高温超导研究热。而下一步，科学家们将着眼于合成由单晶体构成的高品质铁基高温超导材料。铁基超导材料介绍 Temperature/KundopedLCJEFOX.-^0100200300Temperature/K图2LaFSG胡体结构示意图（“）・氟拶杂LaFMQ电阻耶及摩尔磁化眾随温度变化曲线（hc）图2介绍了LaFeAsO晶体结构示意图和氟掺杂LaFeAsO电阻率寄摩尔磁化率随温度的变化曲线。最初发现的铁基高温超导材料LaFeAsO属于ZrCuSiAs结构,此类体系的空间群为P4/nmm,具有四方相层状结构、从c轴方向看是由（LaO）层和（FeAs）层交替构成的，一个单胞中有两个LaOFeAs分子。这类材料的研究历史可以追溯到1974年巴早在1995年，德国的一个研究小组就报道合成了一系列包括LaFeAsO在内的四元磷氧化物LnMPnO（Ln=La,CEu,Gd,Tb,Dy;M=Mn,Fc,Co,N;iPn=P,As）⑹。但在这类体系〔I〔最早发现超导的还是日本Hosono小组，他们通过氟元素部分替代氧首先在SFeP0中发现10K的超导电性5,但rtr丁其较低的超导转变温度，并没有引起人们广泛关注，直到2008年2月，Tc二26K的LaFeAsOiF’被发现。随后，通过用其他稀土元素（包括从Ce到Sm所有轻稀土元索，以及Gd,Tb,Dy等重稀土元索）完全替换掉均能得到Tc在50~56K的超导体［7-10,14-15］。后来赵忠贤和任治安等人意识到此类超导体中可能存在氧缺位，这种氧缺位可能跟氟掺杂一样引入电子导致超导，他们迅速采用高压技术合成了无氟缺氧的电子型LnFeAsOl-x,也能达到55K左右的超导转变温度［16］o通过在这类化合物中引入电了导致超导的例了还有浙江 大学许祝安和曹光汉小组做出的Gdl-xThxFeAsO和Tbl-xThxFeAsO］超导体。aTomperature/Kffl3BatesAs.品休給构示怠图(a),FCTDCW图3REFeAsO晶体结构示意图结论从笫一个高临界转变温度的铁基超导休LaFeAsOIXFx的发现到现在已经整一年的时间了，铁基超导体的研究和发现已被美国Science志评为2008年世界十大科技进展之一。一大批新超导材料的发现极大地扩展了超导物理的研究领域。而这其屮令人称道的是屮国科学家在这个领域屮做出了令世界嘱口的贡献。目前科学家们普遍认为，铁基超导体的配对机制和超导机理目前仍不清楚，这其屮的物理研究正在随着高质量的单品样品的出现而逐步深入。另一方而，新铁基铁基超导材料的探索方兴未艾，o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屮占据了重要位置。总体来看，铁基超导材料研究述处于起步阶段，许多问题述都有待科学家们进一步去探索与研究。。沿着设计新结构和多层的思路，更高临界转变温度的铁基超导体很有叮能会在未来被人们发现。