什麼是鐵基高溫超導體

2021-01-09 初中化學大師

2008年鐵基高溫超導體的發現，翻開了高溫超導研究的新篇章.最先發現的LnFeAsO(1111體系，Ln為鑭系元素)家族，之後相繼發現了以BaFe2As2為代表的122體系，LiFeAs為代表的111體系以及FeSe為代表的11體系.這四個體系構成鐵基超導體的基本結構類型，它們均具有準二維層狀結構，包含產生超導的關鍵結構單元——反螢石型Fe2X2層(X為磷族或硫族元素等).

除了這四種基本結構之外，人們還發現可以在Fe2As2層之間插入鈣鈦礦型層，得到所謂的32522和42622等新體系，其典型代表有Sr3Sc2O5Fe2As和Sr4V2O6Fe2As2等.還可以在Fe2As2層間插入對稱性較低的隔離(spacer)層，如Ca10(Pt3As8)(Fe2As2)5(10-3-8相),Ca10(Pt4As8)(Fe2As2)5(10-4-8相)和(Ca,Ln)Fe2As2(112體系).綜上所述，鐵基超導體共同的層狀結構特性使得結構設計成為可能：即在Fe2X2層之間插入不同類型的原子塊層(blocklayers),從而尋找到新的鐵基超導體.

鐵基超導材料的母體一般都是具有反鐵磁自旋密度波(SDW)序的半金屬.上述這些材料大多需要通過化學摻雜，壓制其SDW,誘發出超導電性.在這些化學摻雜中，最常見的是異價元素替代，由此引入額外的載流子.元素替代實際上是在晶體結構中引入(點)缺陷.一般情況下，元素替代的固溶度有限，因此引入的載流子濃度會受到限制.此外，元素替代也勢必引入無序效應，可能對超導產生不利影響.在交生層狀晶體結構中，可以實現晶胞內部層間電荷轉移，即對Fe2X2層進行「自摻雜」.這方面較早的例子有Sr2VO3FeAs等，Ba2Ti2Fe2As4O等.

鐵基超導體發展至今已經十年，領域內相關文獻數以千計，並且湧現了許多有參考價值的綜述性文獻[2432].本文作者於2013年對鐵基超導體的晶體化學進行了評述，並提出了若干可能被合成的交生晶體結構[21],其中的兩種結構「KLaFe4As4」和「A3Fe4X4Z2」

已經分別在AkAeFe4As4(Ak=K,Rb,Cs;Ae=Ca,Sr,Eu),AkCa2Fe4As4F2(Ak=K,Rb,Cs)[37,38]和AkLn2Fe4As4O2(Ak=K,Rb,Cs;Ln=Nd—Ho)系列化合物中得到實現.此外，近年來其他一些具有交生結構的鐵基超導體相繼被報導.因此，有必要對此類鐵基超導體進行整理和總結.本文首先簡要回顧鐵基超導材料的基本結構類型，穿插介紹其新進展.然後給出對於交生型晶體結構設計的基本原則.從這些規律的角度，梳理了迄今發現的幾類具有交生結構的鐵基超導材料.由於本文重點討論鐵基超導體的結構，對其物性僅做簡要介紹.

圖1 (a)Fe2X2層中影響超導轉變溫度的結構參數;(b)—(f)幾類基本的鐵基超導體結構示意圖

Fig.1.(a)The structural parameters of Fe2X2layers that af f ect the superconducting transition temperature;(b)–(f)basic crystal structures of iron-based superconductors.

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