La-Cu-O-Fe-As高溫超導(dǎo)候選材料的設(shè)計(jì)、物性預(yù)測(cè)與合成探索.pdf

1、鐵基超導(dǎo)至今仍然是凝聚態(tài)物理基礎(chǔ)研究的前沿科學(xué)之一。2008年，鐵基超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性首次被發(fā)現(xiàn)，作為對(duì)銅氧化物超導(dǎo)體研究的唯一可對(duì)比物質(zhì)，兩類超導(dǎo)體存在許多相似點(diǎn)。對(duì)僅有的兩類高溫超導(dǎo)體的對(duì)比研究為新材料的設(shè)計(jì)制備方面提供了一些新思路，同時(shí)也為高溫超導(dǎo)機(jī)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(dǎo)機(jī)理問(wèn)題至今仍沒(méi)能解決。因此，需要尋找更多的高溫超導(dǎo)材料來(lái)幫助人們觀察超導(dǎo)現(xiàn)象，為高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究提供更多新的依據(jù)。
　　兩類高溫

2、超導(dǎo)體存在許多相似點(diǎn)，它們?cè)诔叵戮哂兴姆骄Ц窠Y(jié)構(gòu)，且ab平面晶格常數(shù)十分接近，同時(shí)都具有超導(dǎo)層加電荷庫(kù)層的層狀結(jié)構(gòu)特征，且電荷庫(kù)層的元素也十分相似，此外還含有La、Nd、Sr等共同的電荷庫(kù)層元素。而在材料制備方面，兩類高溫超導(dǎo)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(xí)慣等外部因素使得兩類高溫超導(dǎo)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(gè)問(wèn)題，設(shè)想設(shè)計(jì)出一種同時(shí)含有Fe2As2層和C

3、uO2層的新型超導(dǎo)材料，那么當(dāng)外界條件改變時(shí)，兩類不同的“超導(dǎo)層”會(huì)同時(shí)做出響應(yīng)，且不受其他變化條件的影響，因此會(huì)有助于人們更加準(zhǔn)確地辨別和理解超導(dǎo)機(jī)理的本質(zhì)問(wèn)題。
　　本文中，首先設(shè)計(jì)出同時(shí)包含F(xiàn)e2As2層和CuO2層的La-Cu-O-Fe-As新型高溫超導(dǎo)體候選材料，采用第一性原理中的密度泛函理論對(duì)該材料進(jìn)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(xiàng)或多項(xiàng)物質(zhì)相比，在能量上均處于有利地位。在此基礎(chǔ)上，對(duì)三種材料的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，論證其可能物性的存在。通過(guò)第一性原理計(jì)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(dǎo)體的相似性，費(fèi)米能級(jí)上態(tài)密度主要來(lái)自Fe的3d軌道和Cu的3d電子的貢獻(xiàn)，其中Fe的態(tài)密度大于Cu。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的三種La-Cu-O-Fe-As系列母體材

5、料均具有較強(qiáng)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(dǎo)電層，其中Fe2As2層占主導(dǎo)地位，而LaO層則構(gòu)成電荷庫(kù)層。La-Cu-O-Fe-As系列材料中的兩類超導(dǎo)層擁有與現(xiàn)有超導(dǎo)體中相似的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，說(shuō)明Fe2As2層與CuO2層可能發(fā)揮著與現(xiàn)有超導(dǎo)體中相似的作用，新材料很可能是一種新型的高溫超導(dǎo)候選母體材料。同時(shí)由于Fe2As2層的導(dǎo)電性較強(qiáng)，而CuO2層的導(dǎo)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(dǎo)層，其性質(zhì)可能更加接近鐵基超導(dǎo)材料。
　　在掌握現(xiàn)有兩類超導(dǎo)材料合成工藝基礎(chǔ)上，我們通過(guò)對(duì)兩類超導(dǎo)材料制備工藝的結(jié)合與調(diào)整，嘗試采用固相反應(yīng)法合成此類新型超導(dǎo)候選材料。嘗試通過(guò)熱分析手段預(yù)期反應(yīng)的溫度點(diǎn)，并通過(guò)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(duì)稱性等信息。通過(guò)X射線衍射手段，已經(jīng)確認(rèn)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(dǎo)

7、母體材料，同時(shí)對(duì)La2CuO4與LaOFeAs進(jìn)行摻雜研究。針對(duì)La2CuO4，通過(guò)12.5％比例的Sr元素?fù)诫s成功獲得了超導(dǎo)電性；針對(duì)LaOFeAs，通過(guò)空穴型Sr摻雜考察其低溫電阻特性。在合成LaOFeAs的過(guò)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(dǎo)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(dǎo)母體材料，在同等實(shí)驗(yàn)條件下該樣品的質(zhì)

8、量?jī)?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(duì)三種不同元素配比的材料分別進(jìn)行合成研究，并從初始反應(yīng)物的選擇、溫度-時(shí)間曲線、反應(yīng)過(guò)程氣氛以及摻雜對(duì)合成帶來(lái)的影響四個(gè)方面對(duì)新材料合成工藝進(jìn)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(yàn)。同時(shí)，在新材料探索過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)了一些反?，F(xiàn)象。在探索合成La3CuO5FeAs時(shí)，發(fā)現(xiàn)在X射線衍射圖譜28.7°位置附近有一個(gè)很強(qiáng)的主峰為未知峰，還需要進(jìn)一步確