La-Cu-O-Fe-As高溫超導候選材料的設計、物性預測與合成探索.pdf

1、鐵基超導至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學之一。2008年，鐵基超導體的超導電性首次被發(fā)現(xiàn)，作為對銅氧化物超導體研究的唯一可對比物質(zhì)，兩類超導體存在許多相似點。對僅有的兩類高溫超導體的對比研究為新材料的設計制備方面提供了一些新思路，同時也為高溫超導機理研究提供了很多方向性的依據(jù)，但最關(guān)鍵的高溫超導機理問題至今仍沒能解決。因此，需要尋找更多的高溫超導材料來幫助人們觀察超導現(xiàn)象，為高溫超導機理的研究提供更多新的依據(jù)。
　　兩類高溫

2、超導體存在許多相似點，它們在常溫下均具有四方晶格結(jié)構(gòu)，且ab平面晶格常數(shù)十分接近，同時都具有超導層加電荷庫層的層狀結(jié)構(gòu)特征，且電荷庫層的元素也十分相似，此外還含有La、Nd、Sr等共同的電荷庫層元素。而在材料制備方面，兩類高溫超導材料所采用的原料、溫度、氣氛、摻雜等制備工藝卻不盡相同。不同的制備條件、操作習慣等外部因素使得兩類高溫超導材料在樣品質(zhì)量、性質(zhì)參數(shù)上不具備很好的可比性。為了解決這個問題，設想設計出一種同時含有Fe2As2層和C

3、uO2層的新型超導材料，那么當外界條件改變時，兩類不同的“超導層”會同時做出響應，且不受其他變化條件的影響，因此會有助于人們更加準確地辨別和理解超導機理的本質(zhì)問題。
　　本文中，首先設計出同時包含F(xiàn)e2As2層和CuO2層的La-Cu-O-Fe-As新型高溫超導體候選材料，采用第一性原理中的密度泛函理論對該材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明，三種新系列材料La3CuO5FeAs、La4CuO6Fe2As2、La8Cu3O14F

4、e2As2與構(gòu)成它的各原子形成的其它單項或多項物質(zhì)相比，在能量上均處于有利地位。在此基礎(chǔ)上，對三種材料的電子結(jié)構(gòu)進行分析，論證其可能物性的存在。通過第一性原理計算獲得La-Cu-O-Fe-As系列物質(zhì)的能帶結(jié)構(gòu)圖和態(tài)密度圖，發(fā)現(xiàn)三種物質(zhì)均具有金屬性，電子結(jié)構(gòu)十分相似，并表現(xiàn)出與鐵基超導體的相似性，費米能級上態(tài)密度主要來自Fe的3d軌道和Cu的3d電子的貢獻，其中Fe的態(tài)密度大于Cu。同時，所設計的三種La-Cu-O-Fe-As系列母體材

5、料均具有較強的各向異性，層間耦合作用較弱，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)特征。Fe2As2層和CuO2層構(gòu)成它們的導電層，其中Fe2As2層占主導地位，而LaO層則構(gòu)成電荷庫層。La-Cu-O-Fe-As系列材料中的兩類超導層擁有與現(xiàn)有超導體中相似的結(jié)構(gòu)和導電性，說明Fe2As2層與CuO2層可能發(fā)揮著與現(xiàn)有超導體中相似的作用，新材料很可能是一種新型的高溫超導候選母體材料。同時由于Fe2As2層的導電性較強，而CuO2層的導電能力受到一定壓制，由此

6、分析新材料中仍然存在兩類不同的超導層，其性質(zhì)可能更加接近鐵基超導材料。
　　在掌握現(xiàn)有兩類超導材料合成工藝基礎(chǔ)上，我們通過對兩類超導材料制備工藝的結(jié)合與調(diào)整，嘗試采用固相反應法合成此類新型超導候選材料。嘗試通過熱分析手段預期反應的溫度點，并通過X射線衍射方法獲得合成產(chǎn)物的相組成、晶體結(jié)構(gòu)及其對稱性等信息。通過X射線衍射手段，已經(jīng)確認成功合成了FeAs、LaAs等前驅(qū)物，La2CuO4、LaOFeAs兩類典型的鐵基和銅氧化物高溫超導

7、母體材料，同時對La2CuO4與LaOFeAs進行摻雜研究。針對La2CuO4，通過12.5％比例的Sr元素摻雜成功獲得了超導電性；針對LaOFeAs，通過空穴型Sr摻雜考察其低溫電阻特性。在合成LaOFeAs的過程中，考慮到La單質(zhì)原料具有較活潑的性質(zhì)，很容易引入LaH3、La(OH)3等雜質(zhì)，提出了一種新的“1111”型鐵基超導體的制備方法。采用此方法成功地合成出了純度較高的LaOFeAs高溫超導母體材料，在同等實驗條件下該樣品的質(zhì)

8、量優(yōu)于傳統(tǒng)方法合成的樣品。在新系列材料La-Cu-O-Fe-As的合成探索中，針對三種不同元素配比的材料分別進行合成研究，并從初始反應物的選擇、溫度-時間曲線、反應過程氣氛以及摻雜對合成帶來的影響四個方面對新材料合成工藝進行總結(jié)與綜合分析，獲得了一些有助于今后新材料探索的經(jīng)驗。同時，在新材料探索過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些反?，F(xiàn)象。在探索合成La3CuO5FeAs時，發(fā)現(xiàn)在X射線衍射圖譜28.7°位置附近有一個很強的主峰為未知峰，還需要進一步確