新型铁基超导体材料的研究进展

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1、新型铁基超导体材料的研究进展摘要 最近,由于在铁基 Ln(O,F)FeAs 化合物及其相关化合物中发现具有高于 40K 的超导电性,引起了凝聚态物理学界很大的兴趣和关注.在随后的研究中发现,在该类材料中最高超导临界温度可达到 55K.这些重要的发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了新的一类材料. Abstract The discovery of super conduct ivity with a critical temperature(Tc) higher than 40K in the ironarsenide Ln(O,F) Fe As

2、has drawn muchinterestincondensedmatterphysics.Laterdiscoveries,including theen hancement of Tcup to 55K,has evoked intense excitement in the pilgrim age towards the understanding of the mechan Is mofhighTc super conductivity,while providing abrand new family of materials toAddress this issue.关键词 铁基

3、超导体引言1986 年,IBM 研究实验室的物理学家 Bednorz(柏诺兹)和 Muller(缪勒)发现了临界温度为 35K(零下 238.15 曟)的镧钡铜氧超导体 .这一突破性发现导致了一系列铜氧化物高温超导体的发现.自那以后,铜基高温超导电性及其机理成为凝聚态物理的研究热点.然而直至今日,铜基高温超导机制仍未解决,这使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一.因此科学家们都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料,能够从不同的角度去研究高温超导机制, 最终解决高温超导的机制问题.2006-2007 年，日本东京工业大学的 Hoson 研究组分别报道了 LaFePo 和 LaN

4、iPo 体系的超导电性，但因其超导转变温度较低（） ，当时并未引起人们的广泛重视.2008 年月，该小组报道在 LaFeAsO 体系中发现了高达 的超导转变，这一突破性成果立刻引发了人们对该体系的强烈关注随后国内外许多研究组相继报道了一系列具有超导电性的层状铁基化合物，此类材料被统称为铁基超导体在铁基 LaO1-xFxFeAs(x =0.050.12)化合物中发现有 26K 的超导电性,层状型结构的 (Ln=La,Pr,Ce,Sm;M =Fe,Co,Ni,Ru 和 Pn=P 和 As)化合物引起了科学家很大的兴趣和关注.2008 年 3 月, 该类材料的超导临界温度在 SmO1-xFxFeAs

5、 化合物中被首次提高到 43K,并在随后的研究中发现,该类材料中的最高超导临界温度可达到 54K.中国科学院物理研究所王楠林小组、赵忠贤小组、闻海虎小组及其他小组作出了重要的发现(见同期的文章).这些发现使得人们又重新对高温超导体的探索产生了极大的兴趣,并且为研究高温超导的机理提供了一类新的材料.近期初步研究表明,这类新超导体属于非传统超导体,电声相互作用并不能导致如此高的临界转变温度,强的铁磁或反铁磁涨落被认为是可能的原因,然而其机理还不是很明朗,其丰富的物理性质有待人们展开进一步深入的研究. 文章分为三个部分:第一部分介绍新型高温超导材料探索及物性研究;第二部分介绍铁基超导体的单晶制备以及

6、物性研究;第三部分介绍铁基超导体的电子相图以及超导和自旋密度波共存的研究进展.最后,提出了一些发展前景.目前，根据母体化合物的成分和晶体结构，大致可以将铁基超导体分为以下个体系（对应的晶体结构示意图见图）：（） “”体系，成员包括（，；，）以及（，）等化合物 ，空间群为，具有型晶体结构，该体系是由（） 层与反萤石型（） 层沿晶体学轴交替堆垛而成；（）“”体系，成员包括（，）等，空间群为，具有型晶体结构，该体系由 离子层与反萤石层（） 沿晶体学 轴交替堆垛而成；（） “”体系，成员包括（，）等 ，空间群为，具有型晶体结构，该体系也是由 离子层与反萤石层（） 沿晶体学 轴交替堆垛而成，但其（） 层

7、的相对位置以及层间 离子数量都与体系不同；（）“”体系，成员为 ，空间群为，具有典型的反 型晶体结构，该二元化合物仅由反萤石的（）层沿轴堆垛而成图是几种典型铁基超导体的结构示意图，从图中可看出，它们具有共同的结构特点，即都存在的平面四方网格，（）原子等距离地排列在平面的上方和下方，形成（）共边四面体这种特殊的晶体学结构导致的个轨道都与（）发生轨道杂化，从而都贡献出载流子在铁基超导体中，（）层是物性决定层，（）层之间的插入层则提供载流子，即为电荷库层对于母体材料，层和层之间的电荷是平衡的层间耦合作用也比较弱对电荷库层进行电子或空穴掺杂后，通常电荷由电荷库层向物性决定层转移，对物性决定层的性质进行

8、调控，当掺杂达到一定程度后，就会出现超导对铁基超导体中的物性决定层（如层）进行掺杂，同样能够诱导出超导电性例如等人对进行掺杂，得到了高达的超导转变温度，这是铜氧化合物超导体系中所不具备的特点科学家在研究铁基体系的超导转变温度与晶体结构的关系时发现，当四面体越趋近于正四面体时，材料对应的超导转变温度越高目前，采用高压合成方法制备的 的超导转变温度为，晶体结构研究表明， 中的四面体趋近于正四面体，该转变温度大大超过了理论预测的极限进一步对超导电子相图所做的研究表明，铁基超导体与铜氧化物超导体具有类似的特点：超导均出现在母相掺杂的基础上，超导转变温度随掺杂量的变化关系呈现圆顶状曲线；母相都是反铁磁材

9、料；超导的出现都伴随着强的自旋涨落等等但是，二者也存在明显的差异：铜氧化物超导体的母相为莫特绝缘体（） ，而铁基超导体的母相则为差的金属态（） ；前者在欠掺杂区域存在赝能隙，后者到目前还没有观察到赝能隙的存在等等图种典型铁基超导体的晶体结构示意图1111 结构中 氧缺陷导致的超导电性中国科学院物理研究所赵忠贤组在 LnOFeAs(Ln=La,Sm,Pr,Nd 等)体系中,通过高压合成的方法制备出氧空位的超导样品1315.该研究表明,通过引入氧空位也可以达到向 FeAs 面注入载流子的作用,从而产生超导电性.由于氧空位要在高压下才能形成,因而通常压力下很难有氧空位形成.我们组试图在非高压条件下向

10、体系引入氧空位,合 La0.85Sr0.15FeAsO1-样品,并系统地研究了体系中氧缺陷带来的影响16,发现用 Sr 部分地取代 La 可以引入部分空穴载流子,SDW 序被压制.样品的超导电性可通过将样品在真空中退火引入氧缺陷来实现.随着氧缺陷的增加,超导转变温度 Tc 升高,其最大值达 26K,类似的现象也出现LaFeAsO1-xFx 体系中.未退火的不超导样品的热电势为正,而退火后的氧缺陷超导样品的热电势为负;但所有样品的霍尔系数(RH )始终为负值.这表明在 La0.85Sr0.15FeAsO1-毮样品中其主要载流子为电子.实验表明,通过掺杂少量的具有较大离子半径的 Sr 原子,可在L

11、aFeAsO 体系中在真空退火的条件下产生氧空位,并出现超导电性在铜氧化合物高温超导体中,增大铜氧面之间的距离能提高其超导转变温度,因此探索合成多层铁砷,寻找更高的超导转变温度是可能的.日本科学家合成了多 Sr4Sc2O6Fe2P2(42622)铁磷化合物19,并发现有 18K 的超导转变温度,这远远高于 La(OF)FeP(Tc=5K)20.我们成功合成了 Sr4Sc2O6M2As2(M =Fe 和 Co)(42622)多层结构21.Sr4Sc2O6Fe2As2 热电势(TEP)和霍尔系数(RH)表现出类似于 LnOFeAs(1111)和 BaFe2As2(122)复杂的行为,可能是一类新的

12、超导母体.同位素效应在 SmFeAsO1-xFx 和 Ba1-xKFe2As2 体系中,通过氧和铁同位素交换,研究超导临界温度(Tc)和自旋密度波转变温度(TSDW )的变化,发现 Tc 的氧同位素效应非常小,但是铁同位素效应非常大29.该体系铁同位素交换对 Tc 和 TSDW 具有相同的效应.这表明在该体系中,电灢声子相互作用对超导机制起到了一定的作用,但是并不是简单的电灢声子相互作用机理,还存在自旋与声子的耦合.实验发现,在铁基超导体中,对于 Tc 和 TSDW 的铁同位素效应都大于氧的同位素效应.这是由于铁砷面是导电面,因而其对超导电性有很大的影响,并且自旋密度波有序也是来自于铁的磁矩.

13、在铜氧化合物高温超导体中,超导临界温度的同位素效应随掺杂非常敏感.在最佳掺杂时,同位素效应几乎消失,而随着降低掺杂逐级增大并在超导与反铁磁态的边界上达到最大值.这表明在铜氧高温超导体中,同位素效应与磁性涨落也有着密切联系.这种反常的同位素效应表明,电灢声子相互作用在铜氧化合物中也同样非常重要.因而,这一结果表明,探寻晶格与自旋自由度之间的相互作用对理解高温超导电性机理是非常重要的.铁基超导体的单晶制备及物性研究单晶的获得对于物理性质的研究无疑是一件非常基础和重要的工作,然而对于铁基超导体,1111 结构的单晶制备非常的困难.122 结构铁基超导体的发现使得单晶的制备成为可能研究组报道了在样品中

14、观察到了的超导转变，该二元化合物不含有其他铁基超导体中用来提供载流子的电荷库层对于该超导体系，最初是在含大量缺位的样品中观察到超导特性，随后研究组确认了非化学计量比的化合物在时发生了从四方到正交的相变，随后在更低的温度出现超导（） ，而该样品中多余的位于层的间隙位置同时，在配比为的样品中没有观察到从四方到正交的相变，也没有在更低温度下观察到超导转变，该结果意味着超导的出现与的缺位程度和四面体的扭曲存在着某种关联同时，角分辨光电子能谱（）的研究表明，体系在正常态时存在非常强的电子关联效应 ，这一点也与铁砷超导体系有明显的不同：此前的理论与实验证明，铁砷体系是一种差的金属态，并不存在强的电子关联效应在高压和常温的条件下，原位的穆斯堡尔谱实验表明，在内不存在静态的磁有序结构，同时，超导转变温度随着压力的升高先上升后下降，当压力为时，原位最高达 除了“物理压力”能显著提高的超导转变温度，掺杂也能在一定程度上提高其目前的实验结果表明，同族的掺杂能提高至 因为同族元素的替代不能引入额外的载流子，只会引入“化学压力”此类作用最直接的影响是晶体结构和四面体晶体学参数的变化总之，的超导转变温度对“物理压力”和“化学压力”都十分