新型铁基超导体LaOFeAs研究进展

新型铁基超导体LaOFeAs研究进展 口张法光 (武汉理工大学理学院 湖北·武汉430070) 摘要新发现的含有磁性元素的超导体La0FeAs，经过元素掺杂后其I艋界温度可达到55K，这一最新发现引发了 新一轮的高温超导研究热潮。文章总结了目前关于La0FeAs型超导体在实验和理论上的研究进展，对超导体材料 的制备、电学性能、磁学性能等做了阐述，同时对其今后的发展做了展望。 关键词超导体 La0FeAs实验 理论 中图分类号：04 中图分类号：A 文章编码：1007—3973(2009)05—094—02 1引言 1961年人类第一次成功制造出超导磁体，由此开始了 超导体现代应用的篇章。自那以后，由于实用超导材料和低 温技术的不断发展，超导磁体获得了越来越广泛的应用，前 不久欧洲核子研究中心大型强予对撞机就是利用超导体来 获取粒子束加速的强磁场。但目前发现的超导体材料其临 界温度普遍不高，很难开展大规模的应用。1986年人们首次 发现临界温度超导40K的层状铜氧化物高温超导体，使超 导体的研究进入了一个新的时期，自那以后的20多年，人 们发现了许多新的高温超导材料，但发现的高温超导体基 本上被层状铜氧化物垄断，使对超导体的研究陷入一个困 惑，人们一直希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超 导材料，从而能够从不同的角度去研究高温超导 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 。2008 年2月，东京工业大学的HideoHosono等人首先发现了氟 掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为26K。引起了全世 界广泛的关注。3月25日，中国科技大学微尺度国家实验室 的陈仙辉教授在国际上首次获得临界温度超过40K的铁基 超导体，该研究小组通过电阻率和磁化率测量 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该体系 的超导临界温度已达到了43K，该材料是除铜氧化物高温超 导体之外第一个临界温度超过40K的非铜氧化物超导体，突 破了“麦克米兰极限”。新型铁基超导体的发现为人们认识高 温超导机理和高温超导应用开创了一个全新的平台。 2LaOFeAs的实验研究进展 自从氟掺杂镧氧铁砷化合物的超导临界温度为26Km 和高压下可达43K发现以后，人们对基于Fe—As基的其他 镧系化合物开展了一系列的研究，并在研究过程中取得了 重大的突破，临界温度最高达到了55K，同时随着镧系原子 半径的减小，其超导温度逐渐增大。当然，除了通过掺杂来 提高超导临界温度外，许多研究小组发现通过在高压下也 可以提高铁基超导体的临界温度。 2．1F掺杂LaoFe舡的电子型掺杂研究 2008年3月，HideoHosono等人通过在氩气环境中加 热镧砷和铁砷化合物首先合成了多晶La0FeAs，并测得了 其晶体结构、电导率和磁结构。该研究小组通过X光衍射测 量表明该化合物没有杂质相，为四角晶系结构，但其电导率 与温度的关系在T=150K处电导率出现突然的下降，如图1 ．1'emo醐alumIg)⋯⋯⋯～ 图1电导率随温度的变化曲线 ．塾壶 所示嘲。经过实验测定，在该温度处LaOFeAs的晶体结构发 生了变化，由四角晶系转变为单斜晶系。当氟掺杂氧原子的 浓度达到11％时，在’r=26K时出现了超导现象。 该研究小组通过用二价的Ca替代IJa，并没有发现超导 现象，他们断言在新的铁基超导体中起实现超导的关键性因 素是电子型掺杂，而空穴型不行。然而，在随后的研究中，中 国科学院物理所超导国家重点实验室闻海虎研究组，通过在 镧氧铁砷CLaOFeAs)材料中用二价金属Sr替换三价的【丑，成 功将空穴载流子引入系统，发现有25K以上的超导电性。 2．2Sr掺杂LaoFeAs的空穴型掺杂研究 2008年3月，闻海虎研究组通过两步法合成了(IJal7 xSrx)OFeAs(x=0．10—0．30)化合物。首先把纯度为 99．95％的铁粉末与纯度为99．99％的砷颗粒按1：1的比例 混合，密封人石英管在700℃下加热lO个小时。然后将纯度 为99．99％的SrC03粉末，L丑203粉末和La颗粒混合压成球 形，密封入石英管在900。C下加热4个小时后再在1200℃下 加热48小时，让其冷却至室温。通过XRD测定其晶格常数 为a=b=4．035，c=8．771，略大于母体化合物LaOFeAs，尤其是 在C轴方向，其超导fI缶界温度在掺杂浓度为x--0．13时出现， 如图2所示。 但在随后的研究中，陈仙辉的研究小组通过在Sr掺杂 的LaOFeAs引入氧空位发现。La0．85Sr0．15017SFeAs仍为 图2电导率随温度的变化曲线 电子型超导体。 3LaOFoAs的理论研究进展 高温超导的研究具有广泛的科学价值和应用价值，实 现室温超导是多年来科学家一直追求的目标。然而自从高 温铜氧化物超导体发现以后的20多年来，其超导机制一直 未能解决，人们希望在铜氧化物之外发现新的高温超导材 料，从而从全新的角度去研究。铁基超导体的出现，尤其是 超导温度突破40K以后。迅速激发了新一轮的高温超导研 究热潮。 3．1电声相互作用研究 在铁基超导体发现以后，人们首先关心的是这是否是 由传统的电声相互作用引起的超导电性。L．Boeri等人通过 基于密度泛函理论的第一性原理计算了其电声耦合常熟为 ——斟协论坛·2009年第5期(下)—— 》^Eu—一。01．v气 砖‘Ⅲu F-00气 t■●、 万方数据 O．21，据此计算得到的最大超导临界温度为0．8K。因此他们 推断电声相互作用不能充分解释新发现的铁基超导体，可 能更多的应该考虑电子之间的强关联带来的影响。A．D． Christian80n等人利用中子散射实验研究了超导体LaFeA- sOlxFx和其母体化合物的声子态密度，发现其跟传统的声 子机制引起的超导态并不相符。之后的一些研究同样证实 此类超导体并非由传统的电声相互作用引起。 3．2磁性研究 一直以来人们都认为磁有序破坏超导性，然而随着铁 基超导体的出现，磁性与超导之间的关系成为人们关注的 热点。基于密度泛函理论的第一性原理计算发现铁基超导 体的母体化合物h0FeAs是准二维的反铁磁半金属，磁矩 大小为2．3斗B且局域在铁原子周围。但也有计算表明是载 流子浓度较低的巡游磁性或基于平均动力场理论计算的弱 铁磁性‘“。 王楠林、陈根富、方中等人的研究小组从比热、磁电阻、 光电导谱测量等首次提出La0FaAs母体具有自旋密度波不 稳定性，并从巡游电子图像预言了自旋密度波状态下的条 纹反铁磁序磁结构。之后通过中子衍射实验证实了母体的 反铁磁自旋密度波基态和理论预言的基态磁结构。 4结论和展望 随着研究的不断深入，人类在探索超导机理问题上必 将会取得越来越多的成果，尤其是在铁基高温超导体出现 以后。最近，浙江大学物理系教授袁辉球及其合作者的最新 研究成果表明：在具有二维层状晶体结构的铁基超导体中 发现超导态的“各向同性”，这是首次在二维层状的超导材 料中报道类似的三维超导特性，以前普遍认为维度的降低 是形成高温超导的必备条件。铁基超导材料所具有的与先 前研究过的超导材料不同的独特特征将为高温超导研究注 入新的思维，对研究高温超导形成机理具有重要意义。 参考文献： [1]J．G．Bednorz。 K．A．M凸11er． Posslb1e h{ghTcsuperconductlvlty{ntheBa?La? 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Cu?O system 1986(64) 2.Yoichi Kamihara.Takumi Watanabe.Hideo Hosono Iron-Based Layered Superconductor La[01-xFx]FeAs (x=0.05?0.12) with Tc=26 K 2008(130) 3.X H Chen.T Wu G Wu Superconductivity at 43K in Samarium arsenide oxides SmFeAsO1-xFx 2008(453) 4.H TaKahashi.K Igawa.H Hosono Superconductivity at 43 K in an iron-based layered compound La01xFxFeAs 2008(453) 5.G F Chen.Z Li.N L Wang Superconductivity at 41K and its competition with spin-density-wave instability in layered CeOl-xFxFeAs 2008(100) 6.Z A Ren.F Zhou.Z X Zhao Superconductivity in iron-based F-doped layered quaternary compound Nd01xFxFeAs 2008(82) 7.Z A Ren.L L Sun.Z X Zhao Superconductivity at 52K in iron-based F-doped layered quaternary compound Pr01-xFxFeAs 2008(12) 8.Z A Ren.F Zhou.Z X Zhao Superconductivity at 55K in iron-based F-doped layered quaternary compound Sm01-xFxFeAs 2008(25) 9.H Takahashi.K Igawa H Hosono Superconductivity under high pressure in LaOFeAs 2008(77) 10.G F Chen.N L Wang.P C Dai Magnetic order close to superconductivity in the iron -based layered La01-xFxFeAs systems 2008(453) 11.H H Wen.G Mu.L Fang Superconductivity at 25Kin hole doped LalxSrxOFeAs 2008(82) 12.G Wu.H Chen.X H Chen Superconductivity induced by oxygen deficiency in Sr-doped LaOFeAs 2008(78) 13.L Boeri.O V Dolgov.A A Golubov ls La0 1?xFxFeAs an electron-phonon superconductor 2008(101) 14.A D Christianson.M D Lumsden.O Delaire Phonon Density of States of LaFeAsOl?xFx 2008(101) 15.K Sasmal.Y Y Sun.C W Chu Raman spectroscopy of RFeAsO(R=Sm,La) 2008(77) 16.T Wu.G Wu.X H Chen Neutron scattering study of the oxypnictide superconductor La(O,F)FeAs 2008(78) 17.F J Ma.Z Y Lu Iron-based layered superconductor LaOl?xFxFeAs:an antiferromagnetic semimetal 2008(78) 18.D J Singh.M H Du LaFeAs01-xFx:A low carrier density superconductor near itinerant magnetism 2008(100) 19.K Haule.J H Shim.G Kotliar Correlated electronic structure of LaOFeAs 2008(100) 20.G F Chen.Z Fang.N L Wang Competing Orders and Spin-Density-Wave Instability in La01-xFxFeAs 2008(83) 21.H Q Yuan.G F Chen.N L Wang Nearly isotropic superconductivity in (Ba.K)Fe2As2 2009(457) 相似文献(2条) 1.学位论文 张法光 新型铁基超导体LaOFeAs的第一性原理计算研究 2009 自从超导电性发现以来，因其独特的物理学性质，使超导材料研究具有潜在的经济价值和广阔的应用领域，特别是铜氧化物高温超导体的出现，使 超导临界温度进入了液氮温区，进一步掀起了高温超导研究的热潮。然而时至今日，人类对高温超导机制的研究仍没能给出公认的理论解释，严重制约 了超导技术的发展。2008年2月新发现的铁基高温超导体LaOFeAs为人类研究高温超导问题开辟了全新的思路，目前通过镧系元素替代或在高压下，其临 界温度已突破50K。 本文采用基于密度泛函理论的MaterialStudio软件中的CASTEP模块，首先通过几何优化，研究了新型铁基高温超导材料母体化 合物LaOFeAs的基态属性，详细讨论了其能带结构和态密度，发现LaOFeAs是具有磁性的弱金属性材料，费米能级处的态密度主要来源于Fe的d电子和部分 As的p电子，且具有电子与空穴共存的现象。导电性主要发生在Fe—As层，显示出一定的二维特性。接着采用虚晶近似，研究了F掺杂的LaO1—xFxFeAs在 不同掺杂浓度下的电子结构，探讨了掺杂对铁基超导体物质结构和超导电性的影响。计算表明F掺杂后使LaOFeAs的晶体结构更加稳定，而且使费米面处 的态密度明显减小，消除了自旋极化不稳定性的发生，有利于实现超导电性。通过对不同原子分波态密度的分析发现在O位部分掺杂F后，O的2p电子大量 激发，作为电荷库层提供大量传导电子，表现出与高温铜氧化物超导体的相似性。 LaOFeAs中含有磁性元素Fe，这与以往人们认为的磁性会破坏超 导的认识有很大的不同，实验测得的材料磁矩与基于密度泛函理论计算得到的值相差很大。在本文中我们采用LDA+U方法来处理此类强关联体系，重点考 查了电子库仑相互作用对LaOFeAs的影响，得到了与实验较为吻合的数据。根据计算结果得到了目前LaOFeAs型超导体多为电子型掺杂的原因，即d电子的 库仑相互作用会抑制空穴型载流子穿过费米面，使电子型能带色散增强。因此在实际材料研究中应重点考虑电子型掺杂。当U增大到4.5eV时，在费米面 以上出现了一小的尖峰和赝能隙，但即使U再增大，仍没能发现LaOFeAs出现绝缘态。 铁基超导材料的各项研究刚刚起步，本文仅选取其中两个小 的方面进行了理论计算，对许多新的问题还有待今后的深入研究。 2.期刊论文 徐刚.戴希.方忠.XU Gang.DAI Xi.FANG Zhong 第一原理计算在铁(镍)基超导体中的应用 -物理 2009,38(9) 铁(镍)基超导体的发现引起了凝聚态物理界的广泛兴趣和关注.第一原理计算以其快速、准确等优点在铁(镍)基超导研究过程中做出了巨大贡献.文 章主要介绍了第一原理计算在该研究领域所取得的成果,其中包括电子结构计算,磁性基态的寻找和解释,声子谱和电声子耦合,以及关联效应在该类材料 中的作用等.文章还简略介绍了目前的研究现状以及存在的问题,分析了未来的研究方向和可能的解决办法. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxlt-x200905073.aspx 下载时间：2010年3月24日