学年论文(设计)--122系铁基超导的研究进展

题 目： 122系铁基超导的研究进展 姓 名： 刘 洁 学 号： 201405010026 系 别： 物理与电信工程学院 专 业： 物理学 年级班级： 2014级2班 指导教师： 张云丽 2017年6月11日 目 录摘要2引言21. 超导研究的原理及研究历史21.1超导的理论基础22. 铁基超导的研究32.1超导的理论基础33. 铁基超导的样品制备的方法53.1自助熔法53.2Sn助熔法53.3粉末管套法53.4一步合成法64. 122系铁基超导和铜氧基超导的异同64.1铁基超导和铜氧基超导的异同65.结束语6参考文献7122系铁基超导的研究进展摘 要：超导同时具有抗磁性和零电阻的特殊性质，这使得它具有一系列在强电应用方面的前景。铁基高温超导是在发现了铜氧基高温超导体之后的又一重要的超导材料。和铜氧基超导体相比，铁基超导性质更优越，有望在工业上大规模应。自2008年中科院科研小组研究出锶掺杂镧-氧-铁-砷化合物的超导临界温度为25开尔文(零下248.15)后， 铁基超导便成了热门研究对象。研究铁基超导体或许能为研究高温超导开启新思路。本文旨在探讨铁基超导的研究历史、理论基础以及制备方法等。关键词：超导； 122铁基超导；制备方法 引言荷兰物理学家昂尼斯在1991年利用液氮研究低温下金属汞的电阻，当温度低于4.2K1时发现金属的电阻值突然降低到无法用仪器测量。他把这种物理现象叫做超导（超级导电）。之后，科学家们纷纷效仿这种方法又陆续的发现了多种金属单质及其合金在低温状态下均为超导体（如图1）。超导同时具有零电阻和抗磁性这两种特殊的性质，在强电应用方面具有非常好的前景。若能将零电阻的超导材料替代常规的有电阻的金属材料应用于现实生活中，便可以节约在输电过程中由于导线自身所带的的电阻而造成大量的损耗。利用超导材料，可以组建变压器、储能环、超导发电机、甚至可以发展安全高速的磁悬浮列车等等。1. 铁基超导研究的研究背景1.1 铁基超导的研究背景1.1. 铁基超导的相关背景铁本身就具有铁磁性，科学家们原本都认为它无缘超导性质，但当铁基化合物被发现具有超导性质时，铁基超导又掀起一股热潮。结合制备铜氧高温超导的经验，人们又合成了很多铁基超导化合物。铁基超导性能更优质也更具有应用潜质。根据晶体结构和母体化合物的组成比，铁基超导材料可以大致分为四个体系：“1111”体系、“111”体系、“11”体系以及“122”体系。本文主要研究“122”体系，包括AFe2As2（A=Ba，Sr，Ca，Eu，K，Li，Cs）2-4。图1 超导材料的发展年份2. 铁基超导的理论研究2.1 铁基超导的理论基础2.1.1铁基超导的原理及研究历史若想让材料具有超导性质，必须让材料中的电子配对，而配对电子中的两个电子的的自旋方向是相反的，这导致总自旋为零。但是当铁元素和其他元素形成铁基平面时，就不再具有铁磁性质了。铁基指的是在Fe2As2面上做出的化合物。2006年，由日本教授细野秀雄所带领的的团队首次发现了以铁为超导主体的化合物，打破了铁元素不能形成超导体的错误观念。铁基超导的发现引起了科学家们广泛的关注。2008年，细野秀雄教授所在的的团队再次发表文章铁基层状材料LaO1-xFxFeAs(x = 0.05 0.12)在绝对温度26开尔文时具有了超导性5。2008年3月28日，由中国科学院物理研究所赵忠贤所领导物理研究小组报告称，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，该科研小组又有了新的发现：如果使氟掺杂钐-氧-铁-砷化合物在压力环境下产生作用，这个化合物的超导临界温度便可提升到55开尔文6(零下218.15)。另外，由中科院物理研究所闻海虎领导下的科研小组报告称，锶掺杂镧-氧-铁-砷化合物的超导临界温度为25开尔文(零下248.15)。麦克米兰曾经预言，传统超导的临界温度最高只能达到39开尔文.但是中国物理学家却多次突破“麦克米兰极限”：中科大物理系教授陈仙辉所在的科研小组发现了转变温度高达54开尔文的超导体，王楠林物理科研组也相继报道了41开尔文的超导化合物。中国物理学家为铁基超导材料的研究做出了巨大贡献。2.1.2 122相系铁基超导的研究历史122相系是第二个被发现的铁基超导体系。铁基超导的研究进展非常迅速。2008年6月11日，由美国的艾姆斯实验室Canfield教授所领导的研究小组表明，他们用Sn作助熔剂来生长BaFe2As2（如图2）母体和K元素掺杂的超导单晶样品，并研究了母体和样品的运输特性和热力学各向异性7。图2 BaFe2As2体结构示意图6月15，陈仙辉所在的科研小组用同样的方法，改用FeAs来作为助溶剂去避免Sn作为助溶剂时由于进入晶格而导致的性质变化，同时也研究了单晶的各向异性8。紧接着王楠林科研小组报道了分别用以上两种助溶剂生长出的两种大尺寸晶体SrFe2As2、BaFe2As2和掺杂K的超导晶体，除了做以上各种性质研究外，还进行了光学分析，并有了新的发现，这种方法降低了散射率和载流子损失的数目。七月初，美国州立大学Torikachvili和爱荷华州立大学Canfiled报道称，在2.38.6 kbar压力范围内CaFe2As29就会出现超导性质的转变，在5 kbar的压力下会出现最大的转换温度，大约12开尔文10。这是首次发现加压也会导致超导性质。7月11日英国剑桥大学教授Lonzarich所领导的研究小组报道了未经掺杂的SrFe2As2、和BaFe2As2在高压下具有超导电性，而在常压下这两种母体材料并不具备超导电性。11月份，许祝安小组发现用固相反应法生成的多晶样品EuFe2As1.8P0.2 在温度为18开尔文时将会呈现铁磁序，在24开尔文时将会发生超导转变。这次实验表明化学压力可以帮助铁砷化合物体系的超导电性11。和20年前独占一壁江山的铜氧化合物超导体相比铁基超导体在各方面上已经有了很大的进步，但很多科学家认为铁基超导材料还可以有很大的上升空间，尤其是该体系的最高转变温度，毕竟，研究超导的物理学家们的终极目标是室温超导体。3. 铁基超导的样品制备的方法3.1自助熔法将FeAs（制作铁基超导样品其中的一种原料）作为助溶剂获取单晶的方法叫做自助熔法。首先，要按照1:1的比例将Fe粉和As粒子进行混合掺杂，然后在密封的石英晶管中进行密封烧结。持续加热到500（240分钟以内完成），以此高温保持360分钟，再接着加热到750（300分钟内完成）保持720分钟，自然冷却。为了提高FeAs的纯度可按照上述方法再次烧结。接着，再按照1:4的比例将混合好的A/Re和FeAs/Mas放入氧化铝坩埚内，再密封在高真空石英管内，管内充入30%的气体Ar 。最后，将上述石英管放入高温炉里进行缓慢加热。保持高温在1100以上让化学物质充分反应。然后再降温，把助溶剂与单晶物质分离出来。3.2 Sn助熔法将Sn作为助溶剂获取单晶的方法叫做Sn助熔法。第一步是将A/Re、FeAs/Mas以及As按照1:20-48的比例混合好。放入氧化铝坩埚内紧接着密封在真空石英管内，再充入少量Ar 。第二步，将石英管放入高温炉里进行缓慢加热。加热到850到1150以上。保持一段时间后冷却。第三步，通过机械分离法分离晶体与助溶剂。3.3粉末套管法铁基超导材料的综合性能良好，但并不是能直接应用于实际。它的塑性加工困难，最好是借鉴制备高温超导线代材时的粉末套管法(PPT法)12。PPT法又可分为原位法和先位法13。原位法是在金属管中充入惰性气体（如Ar），在管内将已经按照化学计量比配好的粉末混合均匀。再利用冷加工工序（旋煅、拉拔和轧制）把金属管做成线材。最后进行热处理（在保护气体下进行）。先位法是将事先烧结好的块材粉碎后再按照原位法的顺序进行。3.4 一步合成法先把Fe粉、K粒、Ba粒子和As粒子按比例混合，再研磨6个小时。然后将混合物放入坩埚后，再将坩埚密封在铁管里进行加热。最后保持高温在1180。一段时间后，先冷却到1050再自然冷却。4. 122系铁基超导和铜氧基超导体的异同4.1铁基超导和铜氧基超导的异同铁基超导和铜氧基超导两者晶体结构相似（如图3和图4），均为层状结构，费米面也都是两层。第一个区别在于铁基超导的FeAs层并不像CuO2层一样是一个平整的面，而是一个夹层结构，这样的粒子排布导致内部最近邻原子的相互作用力不同。第二个区别在于铁基超导体的母体是有磁性的，这就导致载流子的掺杂浓度不是导致超导现象发生的主要因素。第三个区别在于铁基超导中的原子之间的库仑作用比铜氧化合物超导体的要弱很多。 图2 铁基超导晶体结构 图4 铜氧基超导晶体结构5.结束语目前，122系铁基超导仍处于研究阶段，新的发现层出不穷，关于此方面的研究也将会展现其巨大的应用空间。在凝聚态物理方面中国的科学家们也将把握住这一机遇，更创辉煌！参考文献1 H.K. Onnes, Leiden Comm. 122b (1991) 122c.1 Rotter M,Tegel M,Joherndt D.Superconductivity at 38 K in the iron arsenide (Ba1-xKx) Fe2As2J.New J Phys,2008,10(12):1230033Qi Y P,Gao Z S,Wang L,et al. Superconductivity at 3q4.7 K in the iron arsenideEu0.7Na0.3 Fe2As2J.New J Phys,2008,10(12):1230034Sasmal K,Lv B,Lorenze B, ,et al. Superconducting Fe-based compounds (A1-xSrx) Fe2As2 with A=K and Cs with transition temperatures up to 37 K J. Phys Rev Lett,2008,101(10):1070075 Kamihara Y,Watanabe T, Hirano M, et al. Iron-based layered supconductor LaO1-xFxFeAs (x=0.05-0.12) with Tc=26KJ. J Am Chen Soc,2008,130(11):32966Ron Z A,Lu W,Yang J, et al.Superconducivity at 55 K in iron- based Fdoped layered quaternary compound SmO1-xFxFeAsJ. Chen Phys Lett,2008,101(10):1070067 Ni N,Budko S L,Kreyssig A, et al.Anisotropic thermodynamic and transport properties of single crystslline (Ba1-xKx) Fe2As2(x=0and 0.45) Phys Rev B,2008,78(1):0145078 Wang X F, Wu T,Wu G, et al. 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