La-Cu-O-Fe-As高温超导候选材料的设计、物性预测与合成探索

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yufeng_09
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铁基超导至今仍然是凝聚态物理基础研究的前沿科学之一。2008年,铁基超导体的超导电性首次被发现,作为对铜氧化物超导体研究的唯一可对比物质,两类超导体存在许多相似点。对仅有的两类高温超导体的对比研究为新材料的设计制备方面提供了一些新思路,同时也为高温超导机理研究提供了很多方向性的依据,但最关键的高温超导机理问题至今仍没能解决。因此,我们需要寻找更多的高温超导材料来帮助我们观察超导现象,为高温超导机理的研究提供更多新的依据。两类高温超导体存在许多相似点,它们在常温下均具有四方晶格结构,且ab平面晶格常数十分接近,同时都具有超导层加电荷库层的层状结构特征,且电荷库层的元素也十分相似,此外还含有La、Nd、Sr等共同的电荷库层元素。而在材料制备方面,两类高温超导材料所采用的原料、温度、气氛、掺杂等制备工艺却不尽相同。不同的制备条件、操作习惯等外部因素使得两类高温超导材料在样品质量、性质参数上不具备很好的可比性。为了解决这个问题,我们设想设计出一种同时含有Fe2As2层和CuO2层的新型超导材料,那么当外界条件改变时,两类不同的“超导层”会同时做出响应,且不受其他变化条件的影响,因此会有助于人们更加准确地辨别和理解超导机理的本质问题。本文中,我们首先设计出同时包含Fe2As2层和CuO2层的La-Cu-O-Fe-As新型高温超导体候选材料,采用第一性原理中的密度泛函理论对该材料进行结构优化和稳定性分析。结果表明,三种新系列材料La3CuO5FeAs、La4CuO6Fe2As2、La8Cu3O14Fe2As2与构成它的各原子形成的其它单项或多项物质相比,在能量上均处于有利地位。在此基础上,我们对三种材料的电子结构进行分析,论证其可能物性的存在。我们通过第一性原理计算获得La-Cu-O-Fe-As系列物质的能带结构图和态密度图,发现三种物质均具有金属性,电子结构十分相似,并表现出与铁基超导体的相似性,费米能级上态密度主要来自Fe的3d轨道和Cu的3d电子的贡献,其中Fe的态密度大于Cu。同时,所设计的三种La-Cu-O-Fe-As系列母体材料均具有较强的各向异性,层间耦合作用较弱,具有明显的层状结构特征。Fe2As2层和CuO2层构成它们的导电层,其中Fe2As2层占主导地位,而LaO层则构成电荷库层。La-Cu-O-Fe-As系列材料中的两类超导层拥有与现有超导体中相似的结构和导电性,说明Fe2As2层与CuO2层可能发挥着与现有超导体中相似的作用,新材料很可能是一种新型的高温超导候选母体材料。同时由于Fe2As2层的导电性较强,而CuO2层的导电能力受到一定压制,由此分析新材料中仍然存在两类不同的超导层,其性质可能更加接近铁基超导材料。在掌握现有两类超导材料合成工艺基础上,我们通过对两类超导材料制备工艺的结合与调整,尝试采用固相反应法合成此类新型超导候选材料。尝试通过热分析手段预期反应的温度点,并通过X射线衍射方法获得合成产物的相组成、晶体结构及其对称性等信息。通过X射线衍射手段,已经确认成功合成了FeAs、LaAs等前驱物,La2CuO4、LaOFeAs两类典型的铁基和铜氧化物高温超导母体材料,同时对La2CuO4与LaOFeAs进行掺杂研究。针对La2CuO4,我们通过12.5%比例的Sr元素掺杂成功获得了超导电性;针对LaOFeAs,通过空穴型Sr掺杂考察其低温电阻特性。在合成LaOFeAs的过程中,考虑到La单质原料具有较活泼的性质,很容易引入LaH3、La(OH)3等杂质,我们提出了一种新的“1111”型铁基超导体的制备方法。我们采用此方法成功地合成出了纯度较高的LaOFeAs高温超导母体材料,在同等实验条件下该样品的质量优于传统方法合成的样品。在新系列材料La-Cu-O-Fe-As的合成探索中,我们针对三种不同元素配比的材料分别进行合成研究,并从初始反应物的选择、温度-时间曲线、反应过程气氛以及掺杂对合成带来的影响四个方面对新材料合成工艺进行总结与综合分析,获得了一些有助于今后新材料探索的经验。同时,在新材料探索过程中,我们也发现了一些反常现象。在探索合成La3CuO5FeAs时,我们发现在X射线衍射图谱28.7°位置附近有一个很强的主峰为未知峰,还需要进一步确定其物质成分。
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