鐵基超導(dǎo)材料制備研究進(jìn)展

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1、鐵基超導(dǎo)材料制備研究進(jìn)展摘要：首先冋顧了發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體的丿力史，然后從材料學(xué)的角度，根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的不同，系統(tǒng)地介紹和總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)的所有鐵基超導(dǎo)材料。同時簡要介紹了近期新鐵基超導(dǎo)材料探索方而的進(jìn)展以及單晶生長方而的工作。最后根據(jù)鐵基超導(dǎo)體表現(xiàn)出來的奇特物理性質(zhì)展望了鐵基超導(dǎo)體的物理研究和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：鐵基超導(dǎo)體；晶格結(jié)構(gòu)；高溫超導(dǎo)電性；晶體生長刖舌1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)，在世界范圍內(nèi)掀起了研究和探索高溫超導(dǎo)電性的熱潮，時至今日依然是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)最受關(guān)注的問題之一⑴。鐵基超導(dǎo)體是指化合物中含有鐵，在低溫時具有超導(dǎo)現(xiàn)象，且鐵扮演形成超導(dǎo)的主體的材料。2006年日本

2、東京工業(yè)大學(xué)HideoHosono教授的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)第一個以鐵為超導(dǎo)主體的化合物L(fēng)aFeOPt2］,打破以往普遍認(rèn)定鐵元素不利形成超導(dǎo)迷思。根據(jù)BCS理論，產(chǎn)生超導(dǎo)性的必要條件是材料中的電子必須配對，這樣配對的電子稱為庫柏對。庫柏對小的兩個電子自旋相反，所以總自旋為零，因而科學(xué)家認(rèn)為超導(dǎo)性與鐵磁性可能無法共存，材料中如果加入磁性元素（如鐵、牒）會大大降低超導(dǎo)性。鐵基超導(dǎo)體雖然含有鐵元素冃是產(chǎn)生超導(dǎo)的主體，但是鐵和其他元素（如砒、硒）形成鐵基平面后，已不再具有鐵磁性。2008年二月初，HideoHosono教授的團(tuán)隊再度發(fā)表鐵基層狀材料LatO^FjFeAs（x=0o05-0。12）在

3、絕對溫度26K時存在超導(dǎo)性［3］（圖1）,從此研究鐵基超導(dǎo)體便在世界上形成一股熱潮。引起許多科學(xué)家的興趣的重要原I大I之一在于鐵基超導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)與高溫超導(dǎo)的銅氧平面類似，超導(dǎo)性發(fā)生在鐵基平面上，屬于二維的超導(dǎo)材料。因此盡管鐵基超導(dǎo)體的臨界溫度只有數(shù)十K,研究鐵基超導(dǎo)體可能有助于了解高溫超導(dǎo)的機(jī)制。雖然早在1986年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一種高溫超導(dǎo)材料一一鋼傾銅氧化物。自那以后，然而直至今口，對于銅基超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)機(jī)制，物理學(xué)界仍未形成-致看法，這也使得高溫超導(dǎo)成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)中最大的謎I才I之一。因此很多科學(xué)家都希望在銅基超導(dǎo)材料以外再找到新的高溫超導(dǎo)材料，從而能夠使高溫超導(dǎo)機(jī)

4、制更加明朗。就在2008年2丿J,FI本科學(xué)家首先報告說，氟摻雜側(cè)氧鐵神化合物在臨界溫度26開爾文（零下247o15°C）時，即具有超導(dǎo)特性。3月25日，中國科技大學(xué)陳仙輝領(lǐng)導(dǎo)的科研小組又報告，氟摻雜侈氧鐵不巾化合物在臨界溫度43開爾文（零下230。15°C）時也變成超導(dǎo)體⑷。3月28H,屮國科學(xué)院物理研究所趙忠賢領(lǐng)導(dǎo)的科研小組報告，氟摻雜錯氧鐵不巾化合物的高溫超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52開爾文（零下221。15°C）。4月13口該科研小組又冇新發(fā)現(xiàn)：氟摻雜彩氧鐵神化合物假如在壓力環(huán)境下產(chǎn)生作用，其超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)-步提升至55開爾文（零下218o15°C）o此外，屮科院物理所聞海虎領(lǐng)導(dǎo)

5、的科研小組還報告，總摻雜瀾氧鐵幣申化合物的超導(dǎo)臨界溫度為25開爾文（零下248o15°C）。超導(dǎo)是物理世界中最奇妙的現(xiàn)象之一。正常情況下，電子在金屬中運動時，會因為金屬品格的不完整性（如缺陷或朵質(zhì)等）而發(fā)生彈跳損耗能量，即有電阻。而超導(dǎo)狀態(tài)下，電了能毫無羈絆地前行。這是因為當(dāng)?shù)陀谀硞€特定溫度時，電了即成對，這時金屈要想阻礙電子運動，就需要先拆散電子對，而低于某個溫度時,能量就會不足以拆散電子對，因此電子對就能流暢運動。通常的低溫超導(dǎo)材料中，屯子是通過品格各結(jié)點上的正離子振動而結(jié)合在一起的。但大多數(shù)的物理學(xué)家都認(rèn)為，這一電了對結(jié)合機(jī)制并不能解釋臨界溫度最高可達(dá)138開爾文（零下13

6、5O15°C）的銅基材料超導(dǎo)現(xiàn)象。每一種銅基超導(dǎo)材料都是由層狀的“銅一氧”面組成，其屮的電子是如何成對的，仍是未解難題。屮H科學(xué)家新發(fā)現(xiàn)的這一系列鐵基超導(dǎo)材料都具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，它們在有些方面與銅基超導(dǎo)材料驚人地相似。但是計算表明，這些鐵基超導(dǎo)材料的晶格振動提供的電子對結(jié)合力量，不足以使材料超導(dǎo)臨界溫度達(dá)到如此高的水平。因此，擺在物理學(xué)家面前的一個新問題是，新老兩類材料的高溫超導(dǎo)機(jī)制是否一樣？諾貝爾獎獲得者、美國普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家菲利普?安徳森說，假如不一樣，那就意味著新材料的發(fā)現(xiàn)比預(yù)想的耍重要得多，也許能從中發(fā)現(xiàn)全新的超導(dǎo)機(jī)制。聞海虎認(rèn)為，新的鐵基超導(dǎo)材料冇口J能會為探

7、究高溫超導(dǎo)機(jī)制提供一個更清晰的體系，在此基礎(chǔ)上，銅基超導(dǎo)材料的高溫超導(dǎo)機(jī)制“可能會一下子變清晰”。但是，也有科學(xué)家持有異議。美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家史蒂夫?基沃爾森就認(rèn)為，兩類材料都是成面結(jié)構(gòu)，都是從導(dǎo)電性能很差的材料轉(zhuǎn)化而來，而且都表現(xiàn)出一種名為“反鐵磁性”的磁特性。他說：“兩者具有足夠的相似性，因此可以假設(shè)，它們是木質(zhì)和同的高溫超導(dǎo)材料?！辈贿^，科學(xué)家們都認(rèn)同一點，那就是新的鐵基超導(dǎo)材料將激發(fā)物理學(xué)界新一輪的高溫超導(dǎo)研究熱。而下一步，科學(xué)家們將著眼于合成由單晶體構(gòu)成的高品質(zhì)鐵基高