铁基超导材料制备研究进展
2009年 第54卷 第5期: 557 ~ 568
https://www.sodocs.net/doc/1e6152031.html, https://www.sodocs.net/doc/1e6152031.html,
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《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
评 述
铁基超导材料制备研究进展
马廷灿, 万勇, 姜山
中国科学院国家科学图书馆武汉分馆情报研究部, 武汉 430071 E-mail: matingcan@https://www.sodocs.net/doc/1e6152031.html, 2008-12-24收稿, 2009-01-22接受
摘要 超导现象于1911年首次被发现, 此后科学家们一直都在寻找拥有更高临界温度的超导材料, 研究重点也逐渐从金属系物质转到铜氧化物. 目前, 物理学界对高温超导机制仍未形成一致看法, 研究人员希望在铜氧化物超导材料以外再找到新的高温超导材料, 以期从新的途径来破译高温超导机理. 2008年初, 日本学者发现了临界温度可以达到26 K 的新型超导材料—— LaO 1?x F x FeAs, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 随后, 科研人员在这一体系中展开了积极的实验和理论研究. 中国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置. 铁基超导材料的研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 本文按照体系分类, 以时间顺序, 分别对铁基超导材料的四大主要研究体系(“1111”体系、“122”体系、“111”体系和“11”体系)的具体材料制备研究进展进行了分析, 比较全面地介绍了各种铁基超导材料的合成方法及其关键物理参数.
关键词 铁基超导
氧磷族元素化合物 临界温度 上临界磁场 固相反应法 自熔法
20世纪最后10年中, 具有ZrCuSiAs 结构的稀土过渡金属氧磷族元素化合物陆续被发现, 但研究人员并未发现其中的超导现象[1,2]. 2006年和2007年, 日本东京工业大学前沿合作科学研究中心的细野秀雄教授带领的研究小组(以下简称“细野秀雄小组”)先后发现LaOFeP [3]和LaNiPO [4]在低温下展现出超导电性, 但是由于临界温度皆在10 K 以下, 并没有引起特别的关注及兴趣. 2008年1月初, 细野秀雄小组发现在铁基氧磷族元素化合物LaOFeAs 中, 将部分氧以掺杂的方式用氟取代, 可使LaO 1?x F x FeAs 的临界温度达到26 K [5], 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 迅速开展了卓有成效的研究工作, 在新一轮的高温超导研究热潮中占据了重要位置: 3月初, 中国科学院物理研究所王楠林研究员领导的研究小组(以下简称“王楠林小组”)很快就合成了LaO 0.9F 0.1-δFeAs 多晶样品, 并测量了基本物理性质[6]; 3月中旬, 中国科学院物理研究所闻海虎研究员领导的研究小组(以下简称“闻海虎小组”)成功合成出第一
种空穴掺杂型铁基超导材料—— La 1?x Sr x OfeAs [7]; 3月25日和3月26日, 中国科学技术大学陈仙辉教授领导的研究小组(以下简称“陈仙辉小组”)[8]和中国科学院物理研究所王楠林小组[9]分别独立发现临界温度超过40 K 的超导体; 3月29日, 中国科学院物理研究所赵忠贤院士领导的小组(以下简称“赵忠贤小组”)发现PrO 1?x F x FeAs 的超导转变温度可达52 K [10]. 4月中旬, 该小组又先后发现在压力环境下合成的SmO 1?x F x FeAs [11]和REFeAsO 1?δ[12]超导转变温度进一步升至55 K 等. 此外, 研究人员也在不断探索新型铁基超导材料的应用. 4月下旬, 中国科学院电工研究所应用超导重点实验室马衍伟研究员领带的研究小组(以下简称“马衍伟小组”)率先成功研制出超导起始转变温度达25 K 的LaO 1?x F x FeAs 线材[13]. 在此基础上, 该小组与闻海虎小组合作又制备出超导起始转变温度高达52 K 的SmO 1?x F x FeAs 线材[14]. 另据报道, 细野秀雄小组已经在新型铁基超导薄膜制作上取得初步成功[15].
目前, 根据母体化合物的组成比和晶体结构, 新
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型铁基超导材料大致可以分为以下四大体系: (1) “1111”体系, 成员包括LnOFePn(Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Y; Pn=P, As)以及DvFeAsF (Dv = Ca, Sr)等; (2) “122”体系, 成员包括AFe 2As 2 (A = Ba, Sr, K, Cs, Ca, Eu)等; (3) “111”体系, 成员包括AfeAs (A = Li, Na)等; (4) “11”体系, 成员包括FeSe(Te)等.
1 “1111”体系研究进展
“1111”体系是研究人员发现的第一个铁基超导材料体系, 也是研究最广最深的一个体系. 该体系拥有ZrCuSiAs 四方晶系结构(常温下, 空间群为
P4/nmm ).
2006年5月(考虑到各期刊稿件处理速度的不同, 本文采用相关研究论文的最早提交时间或研究成果的最早公布时间, 如首次发布在arXiv 上面的时间), 细野秀雄小组宣布发现一种铁基层积氧磷族元素化合物—— LaOFeP. LaOFeP 由氧化镧(La 3+O 2?)层和磷化铁(Fe 2+P 3?)层交错层叠而成(图1), 通过测量磁阻和电阻, 他们确认该物质的临界温度大约为4 K(?269℃). 经过F 掺杂后, La(O 0.94F 0.06)FeP 的临界温度可以提高到7 K [3]. 2007年6月, 细野秀雄小组利用固相反应法制备出LaNiPO, 其临界温度大约为3 K [4]. 不过, 由于上述两种物质的临界温度皆在10 K 以下, 它们的
发现并没有引起特别的关注及兴趣.
2008年1月初, 细野秀雄小组发现LaO 1?x F x FeAs
的临界温度可以达到26 K. LaOFeAs 由绝缘的氧化镧
图1 REFeAsO 晶体结构示意图
层和导电的砷化铁层交错层叠而成. 纯粹的LaOFeAs 即便被冷却至极低温度时也不会出现超导现象, 但是当将该物质中3%以上的氧离子替换为氟离子后, 超导现象随即出现. 当替换比率为3%左右时, 该物质的超导临界温度接近绝对零度, 进一步提高替换比率时, 临界温度随之上升. 当替代比率上升至11%左右时, 临界温度达到顶峰, 约为26 K, 超导起始转变温度(T c onset )则超过30 K(在实际测量中, 通常引入超导起始转变温度(T c onset )、零电阻温度(T c zero )和中点转变温度(T c mid )来描述超导体的特性. 通常所说的临界温度T c 指的是T c mid , 即电阻等于T c onset 电阻的1/2时对应的温度)[5]. 不久, 该小组发现在加压(4 GPa)后, LaO 0.89F 0.11FeAs 的T c onset 最高可以达到43 K [16]. LaOFeAs 的特殊之处还在于其中含有铁元素, 铁是典型的磁体, 而磁性则对常规超导电子配对起着破坏作用. 因此, 这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮.
2008年3月初, 王楠林小组合成了T c 超过20 K 的LaO 0.9F 0.1?δFeAs 多晶样品, 并迅速利用多种手段对样品的物理性质进行了测试, 发现其具有较高的上临界磁场(H c2>50 T)和较低浓度的电子型载流子等[6].
很快, 美国能源部橡树岭国家实验室的Singh 和Du 对LaO 1?x F x FeAs 的电子结构进行了计算, 他们的研究进一步证明LaO 1?x F x FeAs 是一种不同于铜氧化物超导体的新型高温超导体[17]. 闻海虎小组将其在该领域的第一篇文章于3月5日贴到arXiv 上面, 也成为最早验证日本小组工作的研究小组之一, 并很快通过两步法合成了LaO 0.9F 0.1?δFeAs 样品, 并对其特性进行了测量[18]. 随后, 美国能源部橡树岭国家实验室Mandrus 领导的研究小组(以下简称“Mandrus 小组”)也报道了他们对LaO 0.89F 0.11FeAs 的晶体结构、磁化率、霍尔系数、Seebeck 系数等的研究结果[19].
3月中旬, 闻海虎小组报道在LaOFeAs 中用Sr 2+
部分替代La 3+, 成功合成出第一种空穴掺杂型铁基超导材料—— La 1?x Sr x OFeAs, 当x =0.13时, T c onset 达到最大值, 约为25.6 K [7]. La 1?x Sr x OFeAs 的合成大大拓宽了在该系统中探索新型超导材料的范围. 此前, 细野秀雄小组认为, 在LaOFeAs 系统中实现超导的关键
因素是电子型掺杂, 而空穴掺杂不行[5]. 此外, 该材料的相干长度较长, 上临界磁场较高, 在超导强电和
评述
电子学方面可能有潜在的应用.
王楠林小组在对不同F含量的LaO1?x F x FeAs进行了系统研究之后, 他们与中国科学院物理研究所方忠研究员领导的研究小组合作, 通过比热、磁电阻、光电导谱测量和第一性原理计算, 首次提出LaOFaAs母体具有自旋密度波不稳定性, 并于3月24日公布了他们的研究成果, 指出超导和自旋密度波不稳定性相互竞争, 并预言了自旋密度波状态下的条纹反铁磁序磁结构[20]. 之后, 该小组与美国田纳西大学诺克斯维尔分校的戴鹏程教授领导的研究小组合作进行中子衍射实验, 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[21].
3月25日, 陈仙辉小组报道用传统固相反应法合成了SmO1?x F x FeAs样品, 发现该物质在不施加压力的条件下也具有体超导电性(bulk superconductiv-ity). 电阻率和磁化率测量表明, 其T c onset达到43 K, T c mid达到41.7 K[8]. 此前大约一个月, 细野秀雄小组发现在加压(4 GPa)后, LaO0.89F0.11FeAs的T c onset最高可达到43 K[16]. 而此前所有已报道的具有体超导电性的非铜氧化物超导体中, 临界温度最高的是MgB2, T c onset=39 K[22]. 因此, SmO1?x F x FeAs成为常压下第一种临界温度超过40 K的非铜氧化物超导体.
3月26日, 王楠林小组用Ce替代La合成得到CeO1?x F x FeAs样品, 也独立发现超导转变温度超过40 K的超导体系(T c onset=41 K). 他们发现该体系存在超导电性与自旋密度波序的竞争, 其超导相与反铁磁自旋密度波不稳定性邻近, 由此他们指出磁扰动是寻找该类高温超导体的要素之一[9]. 随后, 他们对REO1?x F x TAs(RE=La, Ce, Nd, Eu, Gd, Tm, T=Fe, Ni, Ru)的元素替代效应进行了系统研究. 他们发现, NdO1?x F x FeAs的T c onset大约为50 K, 而GdO1?x F x FeAs 的T c onset则低于10 K[23]. 不过很快, 闻海虎小组发现当x=0.17时, GdO1?x F x FeAs的T c onset可以达到36.6 K[24].
3月29日, 赵忠贤小组宣布利用高压法合成了PrO1?x F x FeAs, T c onset可达52 K, 零电阻温度(T c zero)和Meissner转变温度分别为44 K和50 K[10], 这是第一种超导转变温度超过50 K的非铜氧化物超导体. 3月31日, 赵忠贤小组又宣布用高压法合成了第二种超导转变温度超过50 K的非铜氧化物超导体——NdO1?x F x FeAs, 其T c onset为51.9 K(如前所述, 王楠林小组在同一天公布的为50 K[23]), Meissner转变温度
为51 K, 而其T c zero则提高到48.8 K[25].
4月13日, 赵忠贤小组宣布利用高压法合成
SmO1?x F x FeAs, 其T c onset达到55 K, 是当时已报道的
所有非铜氧化物超导体中最高的, 其T c zero和
Meissner转变温度分别高达52.6 K和54.6 K[11]. 6月
中旬, 马衍伟小组宣布利用新开发出的一步烧结法
成功合成了SmO1?x F x FeAs高密度大块样品[26].
4月16日, 赵忠贤小组宣布利用高压法合成了
REFeAsO1?δ (RE = Sm, Nd, Pr, Ce, La)系列无氟缺氧型
铁砷超导体. 他们发现, 该系列新型超导体的T c onset随
着稀土元素RE原子半径的减小依次递升, SmFeAsO0.85
的T c onset最高, 达到55 K, T c zero为52.8 K, 而
NdFeAsO0.85, PrFeAsO0.85, CeFeAsO0.85和LaFeAsO0.85
的最高T c onset则分别为53.5 K, 51.3 K, 46.5 K和31.2
K[12]. 随后, 日本产业技术综合研究所的Iyo等人也
宣布利用高压法制备出NdFeAsO1?y多晶样品. 他们
发现, 当0.3≤y≤0.8时, NdFeAsO1?y呈现急剧超导转
变, 且y值变化对临界温度没有明显影响. 当y=0.4
时, 其T c onset, T c mid, T c zero分别为54.2 K, 53.7 K和52.0
K[27]. 2008年4月23日, 赵忠贤小组报道合成了
GdFeAsO1?δ和GdFeAsO1?x F x样品. 他们发现, 与
SmFeAsO0.85相比, GdFeAsO0.85的晶格常数虽然更小,
但其T c onset却降低到53.5 K, T c zero降低到52.3 K. 此外,
他们发现, 当x=0.2时, GdFeAsO1?x F x的T c onset和T c zero
达到最高值, 分别为51.2 K和45.5 K[28]. 9月下旬, 赵
忠贤小组又报道利用高压合成法, 借助特种快淬工
艺合成了REFeAsO1?δ系列的重稀土元素成员,
RE=Ho, Y, Dy, Tb, 它们的T c onset分别为50.3 K, 46.5
K, 52.2 K和48.5 K[29].
浙江大学物理系凝聚态物理研究所的许祝安教
授和曹光旱教授等(以下简称“许祝安小组”)研究发
现, 在GdFeAsO中由于Gd2O2层和Fe2As2层间的晶
格失配, 要想通过F掺杂提高其临界温度难度很大. 4
月28日, 他们报道发现通过在GdFeAsO中用Th4+
部分替代La3+, 制备出Gd1?x Th x FeAsO多晶样品, 上
述晶格失配情况得以改善, 从而使其T c onset提高到56
K. 这也表明, 通过LnFeAsO(Ln代表镧系元素)的Ln
位替代来实现电子掺杂, 从而进一步提高临界温度
是可行的. 他们认为, Th替代策略也可用于其他铁基
氧磷族元素化合物[30]. 不久后, 该小组宣布制备出
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Tb 1?x Th x FeAsO(x =0, 0.1, 0.2)多晶样品, x =0.1, 0.2时, T c onset 分别为45 K, 52 K [31].
5月中旬, 英国爱丁堡大学Attfield 等人在高温(1100~1150℃)、高压(10~12 GPa)条件下合成了TbFeAsO 1?x F x (x =0, 0.1, 0.2)和DyFeAsO 1?x F x (x =0, 0.1, 0.2)样品, 它们的T c onset 分别最高可以达到46 K 和45 K, 而且它们都拥有很高的上临界磁场(H c2≥100 T). 此外, 他们还在10 GPa 下合成了TbFeAsO 0.9样品, 其T c onset 约为50 K [32].
5月底, 闻海虎小组率先在常压环境下利用助熔剂法生长出NdFeAsO 0.82F 0.18单晶样品. 该小组还利用微加工手段制作了电极, 并测量了有关上临界磁场、各相异性和正常态输运的第一手数据[33~35]. 这是关于铁基超导材料单晶制备与研究工作的最早报道. 6月初, 瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich) Janusz Karpinski 领导的研究小组以NaCl/KCl 为助熔剂, 在高温高压条件下成功生长出尺寸达120 μm×100 μm 的SmFeAsO 1?x F y 单晶样品, T c onset 在45~53 K 范围内[36].
6月中旬, 中国科学技术大学物理系阮可青等人用固相反应法合成了Sm 0.95La 0.05O 0.85F 0.15FeAs 样品, 其T c onset 和T c zero 分别为57.3 K 和52.8 K. 他们认为, 其临界温度相对于陈仙辉小组最先报道的SmO 0.85F 0.15FeAs 提高了很多, 原因在于La 替代效应[37].
7月初, 美国能源部橡树岭国家实验室Mandrus 及美国纽约州立大学石溪分校Stephens 等人报道合成了LaFe 1?x Co x AsO(x =0, 0.05, 0.11, 0.15, 0.2, 0.5, 1)系列样品. 他们发现, Co 掺杂可以有效诱导LaFe 1?x Co x AsO 产生超导电性, 其中当x =0.11时, T c onset = 14.3 K. 此外, 他们还发现LaFe 1?x Co x AsO 可以承受FeAs 面较大程度的紊乱, 他们认为这将有助于理解新型铁基超导材料的内在机制[38]. 几乎同时, 许祝安小组也对LaFe 1?x Co x AsO 进行了研究, 测量到的最高临界温度为13 K(x =0.075)[39]. 7月下旬, 日本名古屋大学物理系Sato 教授领导的研究小组报道合成了LaFe 1?y Co y AsO 0.89F 0.11系列样品, 他们发现Co 掺杂量与临界温度并没有明显的关系
[40]
.
7月底, 许祝安小组报道用固相反应法合成了LaFe 1?x Ni x AsO 多晶样品. 当x =0.3时, 其T c onset 约为5 K; 当x =0.4时, 其T c onset 约为6.5 K; 当x =0.5时,
LaFe 1?x Ni x AsO 在3 K 以上都未发生超导转变. 此外, 他们还发现当x =0.3或0.4时, 在超导转变温度以上, 随着温度的降低, 电阻率呈对数增长, 这表明Ni 掺杂导致LaFe 1?x Ni x AsO 产生了类近藤行为(Kondo-like
behavior)[41].
8月初, 许祝安小组宣布用固相反应法合成得到了LaFe 1?x Zn x AsO 和LaFe 1?x Zn x AsO 0.9F 0.1多晶样品. Zn 掺杂对LaFe 1?x Zn x AsO 电阻率变化的影响比较明显, 但在2 K 以上并未发现其超导转变. 对于 LaFe 1?x Zn x AsO 0.9F 0.1, Zn 掺杂使得其电阻率随温度变化情况更具金属性. 与未掺杂Zn 的LaFeAsO 0.9F 0.1相比, 其临界温度略有提高, 达到28 K [42].
8月初, 马衍伟小组报道他们用一步固相反应法首次合成了SmFe 1?x Co x AsO(x =0.10, 0.15)样品. 母体化合物SmFeAsO 并不具备超导电性, 但在150 K 时出现反铁磁序. 他们发现Co 掺杂能有效抑制上述反铁磁序, SmFe 1?x Co x AsO 在15.2 K 时发生了超导转变. 与LaFe 1?x Co x AsO 相似, SmFe 1?x Co x AsO 似乎也能承受FeAs 面较大程度的紊乱, 这也进一步表明新型铁基砷化物超导体与铜氧化物超导体有着不同的超导机制[43]. 随后, 许祝安小组对SmFe 1?x Co x AsO 进行了更为系统的研究. 他们发现当x ≥0.05时, 自旋密度波转变就得到有效抑制, 呈现出超导电性; 当x =0.1时, 临界温度(T c mid )达到最大值17.2 K, T c onset 约为20 K; 当x >0.2时, 超导电性消失[44].
8月中旬, 细野秀雄小组合成了具有ZrCuSiAs 四方晶系结构的四元素氟砷化物—— CaFeAsF 样品, 它由(FeAs)δ?层和(CaF)δ+层交错层叠而成, 这是“1111”体系的第一种无氧型成员. 他们发现, 通过用Co 部分替代Fe, 进行电子掺杂, CaFe 1?x Co x AsF 呈现出体超导电性. 当x =0.1时, T c onset =23 K, T c mid =22 K. 他们认为, 如果能够实现(CaF)δ+层掺杂, 其临界温度有望进一步提升[45]. 11月初, 细野秀雄小组公布了对CaFeAsF 的Fe 位进行过渡金属元素(Cr, Mn, Co, Ni, Cu)掺杂的研究结果. 他们发现Co, Ni 掺杂都诱发了超导电性, CaFe 0.9Co 0.1AsF 和CaFe 0.95Ni 0.05AsF 的临界温度分别达到了22 K 和12 K, 而Cr, Mn, Cu 掺杂未能诱发超导电性[46]. 12月初, 闻海虎小组报道合成了Ca 1?x RE x FeAsF(RE=Nd, Pr; x =0, 0.6), Ca 0.4Nd 0.6FeAsF 和Ca 0.4Pr 0.6FeAsF 样品均具有体超导电性, 两者的T c onset 分别高达57.4 K 和52.8 K [47].
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8月下旬, 细野秀雄小组合成了SrFeAsF 样品, 并通过Co 掺杂实现了超导电性. 当x =0.125时, SrFe 1?x Co x AsF 的T c onset =4.8 K, T c mid =4.5 K [48]. 10月中旬, Johrendt 小组也宣布合成了SrFeAsF 样品, 并通过XRD 分析确定其具有ZrCuSiAs 四方晶系结构[49]. 几乎同时, 闻海虎小组用两步固相反应法成功合成了SrFeAsF 样品. 他们测得SrFeAsF 的电阻率和直流磁化率在173 K 时都发生了异常[50]. 进而, 他们通过La 掺杂制备出新型超导体Sr 1?x La x FeAsF, 当x =0.4时, T c onset 达到32 K. 此外, 他们也合成了EuFeAsF 样品, 但未实现其超导电性[51]. 随后, 俄罗斯科学院乌拉尔分院固态化学研究所的Shein 和Ivanovskii [52]利用基于第一性原理的FLAPW-GGA 方法, 对CaFeAsF 和SrFeAsF 两种无氧型铁砷超导体母体的结构特征和电子特征等进行了研究, 这些结果将有助于进一步理解这些材料的超导发生机制. 11月初, 闻海虎小组对SrFeAsF 进行Sm 掺杂, 也成功诱发了体超导电性, Sr 1?x Sm x FeAsF(x =0.5)的T c onset 和T c mid 分别高达56 K 和53.5 K. 这也进一步表明, 有望在更多的氟砷体系其他成员中实现超导电性[53].
11月下旬, 许祝安小组宣布通过P-As 部分等价替代, 用固相反应法合成了LaFeAs 1?x P x O 多晶样品, 其T c onset 约为10.5 K. 这是第一种未经载流子掺杂而实现体超导电性的新型铁基超导材料. 这也进一步表明, 化学压力可以稳定铁砷化物体系的超导电性[54].
2 “122”体系研究进展
受“1111”体系的启发, 研究人员发现了第二个铁基超导体系—— “122”体系. 该体系具有ThCr 2Si 2型四方晶系结构.
2008年5月下旬, Johrendt 小组报道了他们对BaFe 2As 2的研究成果. BaFe 2As 2具有泡利顺磁性, (Fe 2As 2)层被Ba 2+离子隔开(图2). 与“1111”体系的母体化合物LaOFeAs 相似, BaFe 2As 2在140 K 时会发生结构和磁相转变, 并呈现出异常的自旋密度波行为. 因而认为BaFe 2As 2有望成为一种具有ThCr 2Si 2结构的无氧型铁砷超导体的母体化合物[55].
几天后Johrendt 小组宣布, 通过对BaFe 2As 2进行空穴掺杂, 即用K +
部分替代Ba 2+
, 合成了新型块体铁基超导体—— Ba 1?x K x Fe 2As 2, 其中Ba 0.6K 0.4Fe 2As 2的T c onset 高达38 K. Ba 1?x K x Fe 2As 2成为具有ThCr 2Si 2
型结构的“122”体系的第一个成员家族, 也是当时已报道的空穴掺杂型铁砷超导体中临界温度最高的[56]. 他们的进一步研究表明, 在0.1≤x ≤1范围内, Ba 1?x K x Fe 2As 2都呈现出超导电性, x =0.4时, T c onset 达到最大值38 K. 他们认为, 正交晶系化合物
Ba 0.9K 0.1Fe 2As 2 (T c onset ≈ 3 K)和Ba 0.8K 0.2Fe 2As 2 (T c onset
≈
图2 BaFe 2As 2晶体结构示意图
25 K)的超导转变表明, 在BaFe 2As 2家族中, 超导电性与结构紊乱以及潜在的磁有序状态可以共存[57].
6月初, 王楠林小组用固相反应法合成了
Sr 1?x K x Fe 2As 2(x =0~0.4)多晶样品, Sr 0.8K 0.2Fe 2As 2和Sr 0.6K 0.4Fe 2As 2的T c onset 也都高达38 K. 他们发现母体SrFe 2As 2在210 K 时就发生了自旋密度波异常, 这一温度明显高于BaFe 2As 2(140 K)[58]. 几乎同时, 美国休斯顿大学Chu 和Guloy 等人宣布用高温固相反应法合成了A 1?x Sr x Fe 2As 2(A=K, Cs)样品. KFe 2As 2和CsFe 2As 2的T c onset 分别为3.8 K 和2.6 K, 用Sr 部分替代K, Cs 后, K 1?x Sr x Fe 2As 2和Cs 1?x Sr x Fe 2As 2(x =0.5~0.6)的T c onset 分别上升到36.5 K, 37.2 K [59].
随后, 陈仙辉小组合成了Ba 1?x M x Fe 2As 2(M=La, K)和Ba 0.5K 0.5OFe 2As 2样品. 他们没有发现Ba 1?x La x Fe 2As 2的超导转变, 不过与Johrendt 小组一样, 他们发现(Ba 1?x K x )Fe 2As 2的T c onset 为38 K. 此外, 他们发现Ba 0.5K 0.5OFe 2As 2的电阻率随温度变化情况与Ba 0.6K 0.4Fe 2As 2相似, T c onset 也高达36 K [60].
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6月11日, 美国能源部艾姆斯实验室/爱荷华州立大学Canfield 教授领导的研究小组报道, 他们用Sn 作为助熔剂成功生长出BaFe 2As 2母体和K 掺杂的超导单晶样品, 并对其各向异性热力学和运输特性进行了研究. 但Sn 有可能进入母体样品的晶格, 使得单晶样品自旋密度波相变的行为相对多晶样品有所改变[61]. 这是关于“122”体系大尺寸单晶生长工作的最早报道. 6月15日陈仙辉小组报道用FeAs 作为助熔剂生长出BaFe 2As 2母体, 避免了由于Sn 助熔剂进入晶格导致的性质变化, 从而与多晶样品基本一致. 他们也研究了所制备单晶的各向异性行为[62]. 6月16日, 王楠林小组报道了用Sn 和FeAs 分别作为助熔剂生长出大尺寸SrFe 2As 2, BaFe 2As 2母体和K 掺杂的超导单晶样品, 并开展了热力学、输运和各向异性特性研究[63]. 同一天, 王楠林小组还报道了在上述母体单晶样品上针对自旋密度波起源进行的光学研究, 发现了费米面上的部分能隙打开, 以及由此导致的载流子数目损失和散射率的巨大下降[64].
6月中旬, 许祝安小组宣布制备出EuFe 2As 2多晶样品. 他们发现, 与BaFe 2As 2, SrFe 2As 2相似, EuFe 2As 2在大约200 K 时发生自旋密度波转变. 在20 K 时, EuFe 2As 2发生反铁磁序转变. 在EuFe 2As 2中, 主要载流子为空穴. 因此, 他们预测通过适当的空穴掺杂, EuFe 2As 2有望产生超导电性[65]. 几乎与此同时, 德国哥廷根大学的Gegenwart 、印度理工学院的Hossain 及德国马普学会固体化学物理研究所的Rosner 等人合作发文宣布用Bridgman 法生长出EuFe 2As 2单晶. 他们也发现, EuFe 2As 2在195 K 和20 K 时分别发生了自旋密度波转变和反铁磁序转变, 电子结构与SrFe 2As 2相似. 此外, 他们还初步尝试用K 部分替代Eu, 但并没有发现诱发超导电性[66]. 不过, 大约1个月后, 他们用固相反应法制备出Eu 0.5K 0.5Fe 2As 2多晶样品, 电阻率、磁化率等特性测试表明, 自旋密度波转变得到有效控制, 呈现出体超导电性, T c onset 约为32 K [67].
6月下旬, 陈仙辉小组报道用自熔法生长出
CaFe 2As 2高质量单晶样品, 并进而用固相反应法合成了Ca 1?x Na x Fe 2As 2多晶样品. 他们发现由于Na 部分替代Ca, 引入空穴载流子, 可以有效抑制CaFe 2As 2的结构转变和自旋密度波不稳定性, Ca 0.5Na 0.5Fe 2As 2大约在20 K 时发生了超导转变[68].
7月初, 美国圣地亚哥州立大学的Torikachvili 与
爱荷华州立大学的Can ?eld 等人报道发现CaFe 2As 2对静压非常敏感, 在2.3~8.6 kbar 压力范围内CaFe 2As 2会出现超导转变, 当压力大约为5 kbar(约0.5 GPa)时, T c onset 达到最大值, 约为12 K [69]. 几乎同时, 美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室的Thompson 等人也发现, 常压下CaFe 2As 2在170 K 以下具有反铁磁性, 但在0.69 GPa 外加压力下, 其T c onset 可以达到13 K. 这是关于“122”体系超导体由于加压而导致超导电性的最早的两次报道[70].
7月5日, 闻海虎小组报道用FeAs 作为助熔剂成功生长出A 1?x K x Fe 2As 2(A=Ba, Sr)高质量单晶样品, 其中Ba 1?x K x Fe 2As 2(0 7月11日, 英国剑桥大学的Lonzarich 教授领导的研究小组报道了SrFe 2As 2和BaFe 2As 2(未经掺杂)在高压下的超导电性. 他们发现, 在高压下, BaFe 2As 2(约40 kbar)的T c onset 可以达到29 K, SrFe 2As 2(约30 kbar)的T c onset 可以达到27 K, 而在常压下, 这两种母体材料并不具备超导电性. BaFe 2As 2和SrFe 2As 2成为当时已报道的由于加压而导致超导电性的材料中超导转变温度最高的两种材料[73]. 7月14日, 德国马普学会固体化学物理研究所的Rosner 领导的研究小组报道合成了SrFe 2?x Co x As 2多晶样品, 他们发现Co 替代效应有效地抑制了反铁磁(AFM)转变以及相关的晶格畸变. 当x =0.2时, 其T c onset 约为20 K. SrFe 2?x Co x As 2成为“122”体系的第一个电子掺杂型成员[74]. 同一天, Mandrus 小组报道了BaFe 1.8Co 0.2As 2单晶具有体超导电性, 其T c onset 达22 K [75]. 9月11日, 许祝安小组报道用自熔法生长出BaFe 2?x Ni x As 2(x = 0, 0.05, 0.1, 0.16, 0.2)单晶样品, 当x = 0.1时, T c onset 达到最大值21 K, T c mid =20.2 K [76]. 许祝安小组也对EuFe 2?x Ni x As 2进行了研究, 但未发现其超导电性[77]. 11月中旬, 该小组宣布通过P-As 部分等价替代, 用固相反应法合成了EuFe 2As 1.8P 0.2多晶样品. 测量表明, EuFe 2As 2在大约24 K 时发生超导转变, 在大约18 K 时呈现铁磁序, 并在一定程度上抑制了超导转变. 他们认为, 超导电性的出现应归因 563 评 述 于P 掺杂引起的化学压力, 这表明化学压力或许可以帮助稳定铁砷化物体系的超导电性. 该物质的合成也将有助于研究磁性和超导电性之间的相互影响[78]. 3 “111”体系研究进展 “111”体系是研究人员发现的第三个铁基超导体系, 与“1111”体系和“122”体系同属于铁砷超导体系, 但拥有更为简单的结构, 对于探索高温超导体的内在机制以及进一步提高临界温度都有着重要的意义. 2008年6月底, 中国科学院物理研究所的靳常青研究员领导的研究小组率先报道发现了新型铁基超导体系: Li 1?x FeAs, 其中Li 0.6FeAs 的T c onset 可以达到18 K. 研究人员通过高压烧结法合成了这种新型 材料. 它属于四方晶系结构, 与“1111”体系和“122”体系母体材料相似, 也包含FeAs 导电层, 铁平均价态为+2价. 值得一提的是, 与“1111”体系和“122”体系不同, 研究人员并没有发现这种新型铁基超导体系的自旋密度波转变 [79] . 很快, 俄罗斯科学院的Sadovskii 等人对LiFeAs 的电子结构进行了局域密度近似(LDA)计算. 分析结果表明, LiFeAs 的电子结构与“1111”体系和“122”体系的电子结构非常相似, 其电子特性也主要取决于Fe 的三维轨道FeAs 4二维层[80]. 7月中旬, 英国牛津大学的Clarke 领导的研究小组(以下简称“Simon J. Clarke 小组”)也宣布制备出LiFeAs 样品. 他们研究发现, LiFeAs 具有反PbO 型(anti-PbO-type)铁砷层, Li 与As 形成五元配位(四角锥)(图3), 其T c onset 最高可达16 K [81]. 几乎同时, 美国休斯顿大学的Chu 小组也宣布利用高纯Li, Fe, As 高温反应合成了LiFeAs 多晶样品, 并对其单晶结构进行了测定. 他们的研究结果与最先报道LiFeAs 超导特性的靳常青研究小组的有所不同: (1) 晶体结构; (2) 超导相的化学成分. 分析结果表明, LiFeAs 的晶体结构属于PbFCl 型, 具有反PbO 型铁砷层, 而不是此前大家一直认为的Cu 2Sb 型[82]. 同时, 他们发现Li 离子缺陷并非具备超导电性的必要条件, LiFeAs 母体在常压下就具有18 K 的超导转变温度. 同样, 他们在研 究过程中也没有发现LiFeAs 的自旋密度波行为. 他们认为与层积铁砷超导体相比, LiFeAs 可能更类似于无限层(in ?nite layered) 铜氧化物高温超导体 [83] . 图3 LiFeAs 晶体结构示意图 10月中旬, Clarke 小组宣布合成了LiFeAs 的同构化合物NaFeAs, 其T c onset 大约为9 K. 在NaFeAs 中, Fe 离子与4个As 离子形成四元配位(FeAs 4四面体); Na 离子与As 离子形成五元配位(四角锥), Na 离子位于FeAs 层中间. 他们认为, 通过掺杂调整电子数量, 其T c onset 将会进一步提高[84]. 4 “11”体系研究进展 “11”体系是研究人员发现的第四个铁基超导体系, 是四大体系中结构最为简单的一个体系. 此外, 由于所含硫族元素毒性相对较低, 因此也是四大体系中毒性最低的一个体系. 2008年7月中旬, 中国台湾中央研究院物理研究所吴茂昆所领导的研究小组(以下简称“吴茂昆小组”)率先报道发现, α-FeSe 1?x (x =0.12或0.18)在大约8 K 的温度发生超导转变(作者注: α-FeSe 为错误引用, 实际应为β-FeSe, 后文有相关叙述). 这种四方晶系FeSe 由边共享的FeSe 4四面体层叠积而成(图4), 具有与“1111”体系铁基超导材料相似的平面子晶格; 不过, 其PbO 型结构相对于“1111”体系的ZrCuSiAs 型结构更为简单, 制作更为容易, 而且由于不含有高毒性砷元素, 毒性相对较低[85]. 图4 FeSe 晶体结构示意图 7月下旬, 日本国立材料科学研究所Takano 领导的研究小组也用固相反应法制备出FeSe 多晶块体样品. 他们发现, FeSe 1?x (x =0.08)的T c onset 在常压下为 2009年3月 第54卷 第5期 564 13.5 K, T c zero 为7.5 K. 更重要的是, 他们发现临界温度对于外加压力非常敏感: 当外加1.48 GPa 压力时, T c onset 会以9.1 K/GPa 的速率快速上升到27 K, T c zero 也上升到13.5 K. 在1.48 GPa 外加压力下, 其上临界磁场高达72 T [86]. 美国能源部橡树岭国家实验室的Singh 等人对FeSe, FeS 和FeTe 的电子结构、费米面、声子谱、磁性、电声耦合等进行了等密度泛函计算研究, 提出掺杂的FeTe 和Fe(Se,Te)都可能具有超导电性, 特别是FeTe 的自旋密度波具有更强的稳定性, 因此掺杂的 图5 铁基超导材料主要研究进程 图中标注时间为相关论文的最早提交时间或相关成果的最早公布时间, 方框代表国内研究成果 FeTe 可能会拥有比FeSe 更高的临界温度[87]. 很快, 美国杜兰大学Mao 领导的研究小组制备出Fe(Se 1x Te x )0.82系列多晶样品, 发现0≤x <0.15和0.3 8月初, 吴茂昆小组公布了对FeSe 1?x Te x 的系统 研究成果, 分析了Te 替代效应对FeSe 的超导电性的影响. 他们发现, 随着Te 掺杂量的增加, FeSe 1?x Te x 的T c onset 逐渐提高, 当x =0.5时, T c onset 达到最高值15.2 K. 研究表明, T c onset 的提高与Te 替代效应造成的结构变形有着密切的联系, 超导电性的出现也与Fe 平面的磁对称密切相关[89]. 10月下旬, Takano 小组用固相反应法合成了FeTe 0.92样品, 对其高压下的电阻率变化进行了测量, 评述 发现随着外加压力的提升, 电阻转变温度有降低的趋势, 并预测在 1.60 GPa以上的更高外加压力下, FeTe0.92有可能会呈现压力诱导的超导电性[90]. 11月初, Takano小组宣布用固相反应法成功合成了新型铁基超导材料FeTe1?x S x(x=0.1, 0.2). 研究分析结果表明, S替代效应抑制了母体FeTe在80 K时的结构相转变, 这成为FeTe1?x S x实现超导电性的关键. FeTe0.8S0.2的T c onset大约为10 K, T c zero约为7.8 K[91]. 很快, Takano小组又宣布用固相反应法合成了FeSe1?x S x(x=0~0.5), FeSe1?x Te x(x=0~1), Fe1?x Co x Se (x = 0.05, 0.1, 0.2)和Fe1?x Ni x Se(x=0.05, 0.1, 0.2)多晶样品, 并用Cu Kα X射线衍射方法对这些样品进行了分析. FeSe1?x S x的T c onset最高可以达到15.5 K, FeSe1?x Te x 的T c onset最高可以达到15.3 K. 相比之下, Fe位Co掺杂和Ni掺杂却强有力地抑制了超导电性[92]. 11月10日, 王楠林小组利用Bridgman法生长出Fe1.05Te和Fe1.03Se0.30Te0.70单晶样品, 并开展了细致的物性研究工作, 揭示了额外Fe离子对性质的巨大影响[93]. 这是“11”体系为数不多的单晶生长和在单晶上开展物性研究的工作. 11月中旬, 美国普林斯顿大学的Cava教授等公布了他们对FeSe更为深入的研究成果. 他们指出, 吴茂昆小组等报道的α-FeSe为错误引用, 实际应为β-FeSe. 他们发现, β-FeSe的超导电性对组成比非常敏感. 此外, 他们在低温下未发现非超导相β-Fe1.03Se 的磁有序. 他们认为, β-Fe1.03Se的电子态的理解与β-FeSe的进一步研究将有助于对铁基超导机制的理解[94]. 5 结论 铁基超导材料研究正在持续升温, 新的发现层出不穷. 我国科研机构, 特别是中国科学院, 开展了卓有成效的研究工作, 在以新型铁基超导材料研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮中占据了重要位置. 总体来看, 铁基超导材料研究还处于起步阶段, 许多问题还都有待科学家们进一步去探索与研究. 对我国进一步开展铁基超导材料研究提出以下建议: (1) 希望能在国家和科研机构层面提供更多的经费支持, 设立专项研究课题, 鼓励我国科研人员更多地主持或参与国际、国内合作, 开展进一步的深入研究, 提升我国在新型高温超导材料研究中的国际竞争力; (2) 在开展基础研究的同时, 积极关注应用研究, 及时为科研成果申请专利(特别是国际专利)保护, 通过科研成果的转移与转化提升我国相关产业、行业的国际竞争力; (3) 从铜氧化物高温超导材料和铁基超导材料看, 稀有金属元素都是非常重要的成分, 希望能将对这些材料的控制和使用上升到战略物资的高度加以重视. 参考文献 1 Zimmer B I, Jeitschko W, Albering J H, et al. 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Extreme sensitivity of superconductivity to stoichiometry in Fe 1+δSe. arXiv: 0811.1613 Research progress in synthesis of iron-based super-conducting materials MA TingCan, WAN Yong & JIANG Shan Department of Information Research, Wuhan Branch of National Science Library, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China Scientists have been engaged in looking for superconductors with higher critical temperature since the superconduc-tivity phenomenon was first observed in 1911. However, the high-temperature superconducting mechanism of copper oxides still remains a mystery to researchers. Therefore, scientists hope to find new high-temperature superconduc-tors beyond copper oxides, which might administer them to decipher the mechanism of high-temperature supercon-ductors. In early 2008, Japanese scholars found that the critical temperature of LaO 1?x F x FeAs can reach 26 K, and this breakthrough inspired a new research interest about high-temperature superconductors. Researchers carried out a series of experimental and theoretical research works subsequently. Chinese scientific institutions, especially the Chi-nese Academy of Sciences, launched fruitful research work. In this paper, a review on the research progress in synthe-sis of iron-based superconducting materials is presented, including their synthesis methods and the key physical pa-rameters, in each of iron-based superconductors’s four main systems, "1111", "122", "111" and "11" systems, mainly in chronological order. iron-based superconductors, oxypnictides, critical temperature, upper critical field, solid state reaction, self-flux method 铁基超导,中国主导 在经历连续3年的空缺之后，2014年1月10日，来自中国科学院物理所和中国科技大学的研究团队，以“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”问鼎国家自然科学一等奖。 我国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域。而铁基超导作为2008年才开始起步的研究项目，以新锐姿态成为超导领域最受重视的板块，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。为什么铁基超导如此特别？针对它的研究对我们有什么影响呢？世界上有许多单质金属及其合金在特殊条件下都是超导体，即电阻为零，而且还具有完全抗磁性的特性。一旦进入超导态，材料内部磁感应强度即为零，于是超导体就如同练就了“金钟罩、铁布衫”，外界磁场根本“进”不去。正是由于这些特性，超导才具有极其深远的应用前景：利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可节约输电过程中造成的大量热损耗；可组建超导发电机、变压器、储能环；可在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，或进行极端条件下的物性研究，或发展安全高速的磁悬浮列车……然而，要让这些物质进入超导态，必须满足一个十分苛刻的条件——环境温度接近绝对零度。所以，之前提到的那些应用前景在现实生活中很难实现。 物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233℃），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。然而，德国、日本科学家却相继发现了打破这一定律的物质。而两组中国团队更是几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K 的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体，在国际上引起极大轰动。随后，一个来自中科院的研究组将该类铁砷化合物 超导体材料 超导体的定义 1911年，荷兰发明氦液化器的昂尼斯〔H.K.Onnes)偶然发现，在液氦温度(4.2K)下，汞的电阻突然消失，这种现象被称为超导。但是，象汞这样金属的超导状态在很弱的磁场中就会被破坏。进一步的研究表明，要成为超导状态，温度丁，磁场强度H和电流密度J都必须分别处于临界温度T c，临界磁场强度H c和临界电流密度J c以下。如图1所示，在T-H-J 坐标空间中有一个临界面，其内部就是超导状态。临界条件下具有超导性的物质称为超导材料或超导体。 图 1 超导状态的T-H-J临界面（区面内：超导状态；曲面外：正常状态） 【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】 超导体的应用 50年代后期，发现超导状态的温度提高，而且发现丁能产生强磁场的银及钒的合金和化合物，促使超导现象的应用登上了科技舞台。由于电阻近于0Ω，在超导体内流动的电流将没有损耗．这样，很细的导线就可以通过很强的电流，可产生很强的磁场。问题是它必须在液氦温度下工作，液氮的价格、供应和使用方式使得它的普遍应用受到了严格的限制。即使如此，超导磁体仍大量被使用于加速器、聚变装置、核磁共振和磁分析等仪器上。例如美国费密实验室用了1000多个超导磁体，每年的被氮费用高达500万美元，但因此而节省的电力为18500万美元；美国于1990年建成的周长为83km的超级质子对撞机使用10000个超导磁体，每年可节省电力6亿美元。【唐小真,杨宏秀,丁马太.材料化学导论[M].高等教育出社,1997.】超导核磁共振层析仪能给出人体任一部位的剖面图．其分辨本领远远超过x射线或超声层祈仪．是现代高级医院重要的诊断设备之一。 超导技术在医疗上可用于外科手术。例如导管牵引术，将导管插入血管后，靠强磁体引导到脑部等血管瘤部位后，将磁性胶体注入血管，靠强磁体引导到肿瘤前提供血管定位，使给养阻塞，从而使肿瘤萎缩死亡。【杨兴钰.材料化学导论[M].武汉:湖北科学技术出版社,2003.】利用超导体送电的超导电缆已经出现，利用超导体储存电能的超导储能器可在瞬间释放出极强的电能。这种储能器为激光技术提供了储存条件。它可将强电流存储在超导线圈之中，然后启动开关，一瞬间便会释放出巨能，从而发出强大的激光。 用超导体做的超导磁体，可以得到极强的磁场。因为超导线圈没有电阻，超导磁体可以比普通电磁体轻得多：几千克超导磁体抵得上几十吨常规磁体产生的磁场这将给电力工业带来一系列的变革，发电机会因使用超导体而提高输出功率几十倍、上百倍；已试制出来的 中国在超疏水材料研究方面的进展 分子一班 张雷 3013207391 Abstract ： 摘要：具有超疏水性、超双疏性等的微纳复合材料在人们的日常生活和国民生产各个部门都有着广泛的应用前景，因而也引起科学界的广泛关注。由于固体表面的浸润性决定于其表面的化学组成和表面形貌，因此通过改变固体的表面自由能和表面形貌可以实现对固体材料表面浸润性控制。近些年来，这方面的研究吸引了许多科学家和课题组的注意。可以说，超疏水、超双疏材料的制备正成为一个研究的热点问题。本文在查阅有关文献的基础上，分析中国在超疏水、超双疏材料制备方面的进展。 关键词：超疏水、超双疏、表面改性、润湿性 1、背景： 表面润湿性是指液体(通常为水)在固体材料表面的铺展能力。它是固体表面的重要性质之一, 许多物理化学过程，如吸附、润滑、黏合、分散和摩擦等均与表面的润湿性密切相关1。研究表明, 固体表面的润湿性是由其化学组成和微观几何结构共同决的, 定外场如光、电、磁、热等对固体表面的润湿性也有很大的影响2。固体表面的润湿性通常用水滴在其表面上形成的接触角来衡量, 接触角小于9 0°的表面称为亲水表面,大于9 0°的表面称为疏水表面, 而超疏水固体表面是指与水的接触角为1 5 0°以上的表面。 自然界中存在很多超疏水表面, 最典型的如以荷叶为代表的多种植物叶子表面(荷叶效应Lotus-effect)、蝴蝶等鳞翅目昆虫的翅膀以及水鸟的羽毛等3。受这些自然界中现象的启发，许多课题组都开展了超疏水材料制备方面的研究。 2、超疏水材料制备方法分类： 2.1 模板法： 江雷课题组组报道了一种以多孔氧化铝为模板制备超疏水材料的方法2。具体是将一定孔径的氧化铝模板覆盖在聚碳酸酯（PC）膜上，然后加热PC膜将其溶化并将其压入模板的孔内，最后除去模板即可得到纳米棒状的阵列结构。将模板制备成圆筒状重复上述过程可以得到大面积的阵列PC纳米棒。 手性超材料研究进展 钟柯松 2111409023 物理 1. 引言 超材料是有特殊电磁性质的人造结构性材料，其中一个典型的性质就是负折射率。第一种负折射率材料1两个部分组成：一个是连续的金属线，它来实现负介电常数2，另一个是开环谐振器，来实现负的磁导率3。在同时实现复介电常数和负磁导率的时候，负折射率就是实现了。后来，人们大多数以这个原则4-5来设计负折射率材料。虽然负磁导率在微波段很容易实现，但是在光频区域却极其困难7,8。与此同时，Pendry9，Tretyakov10,11和Monzon12等人从理论上提出了另一种利用手性实现负折射率的途径。而手性材料层作为完美透镜也从理论上实现了9-13。在这些报告中，Pendry提出了一种3D螺旋线结构来实现负折射率的手性超材料9。Tretyakov等人则在理论上研究了在手性和偶极粒子手性复合材料中得到负折射率的可能性11。理论表明，负折射率是可以在以3D螺旋对称为晶格的金属球超材料中可以得到14。同时也表明，周期上的手性散射是3D和各向同性负折射率的原因15。实际上，Bose曾经在1898年利用螺旋结构研究了平面偏振电磁波的旋转16。Lindman也是研究微波段人造手性介质的先驱17。最近，Zhang等人在实验上实现了一个3D手性超材料在THz波段的负折射率18。Wang等人则在微波段同时实现了3D手性超材料的负折射率和巨大的光学活性和圆二色性19,20。但是，这些提到的3D手性超材料都很难构建。同时，平面手型超材料显示了光学活性也被报道了21-24。这里需要指出的是，平面手性结构是正真的3D手性结构是不同的。Arnaut和Davis第一次把平面手性结构引入到了电磁波的研究中25,26。一个结构如果被定义为手性结构，那么它应该是在任何平面是没有镜面对称的，然而，一个平面结构被认为是手性的，则它是不能和它在该平面上的镜像重叠的，除非它不在这个平面上。实际上，一个平面手性结构还是和镜像镜面对称的。在垂直入射的情况下，在光传播方向上镜面对称的结构是没有光学活性的27。除非在这个结构上增加衬底来打破传播方向上的镜面对称，这样光学活性就能得到了22-24。然而，手性在这些结构是非常微弱的。后来，Rogacheva等人进一步地提出了双层的手性结构，展现出了很强的光学活性28。这个两层的花环状的平面金属层相互平面扭和在两个平面中，它们也不像3D手性原胞一样连接在一起18-20，二是通过电磁场来相互耦合。它的光学活性强到了整个结构都显示出了负折射率。在这个开创性的工作下，一些不同的双层手性结构，从微波段到近红外波段被相继的提出。如双层花环结构29,30，双层十字线结构31,32，金属切线对33，卍字结构34，四个‘U’型结构35-37，互补性手性结构38等等。另外，多层的平面手性结构也被提了出来29,39。它表明，在构建体手性超材料时，邻近原胞之间的耦合效应也应该考虑在内。由于存在这个耦合效应，体手性超材料和单原胞手性超材料的性质存在差异39。当手性超材料在负折射率带中工作是，品质因素（FOM）来评估它的损耗级别40。FOM被定义为折射率实部和虚部比值的绝对值。在一个波长对应的介质中波振幅衰竭为exp（-2π/FOM)。为了得到高的FOM，一种复合的手性超材料在最近提了出来41。另外，可调节的手性超材料也有报道42。 基于传输和反射参数的有效折射率的提取是一种在表征设计的超材料是的方便有用的手段43-47。随着手性超材料研究的进展，负折射率用其他提取方法中也得到了18,29,48,49。Zhao 等人总结了这些提取方法，简练出了几个简单的公式，这在手性超材料的研究中是非常有用的50。非互易式传输在信息处理中起到了至关重要的作用，点偶极子就是一个典型的例子，它在电 物理四38卷(2009年)9期 h t t p :∕∕w w w.w u l i .a c .c n 铁基超导体专题 铁基高温超导体研究进展* 陈仙辉? (中国科学技术大学物理系 合肥微尺度物质科学国家实验室 合肥 230026 )摘 要 最近,由于在铁基L n (O ,F )F e A s 化合物及其相关化合物中发现具有高于40K 的超导电性,层状的铁基化合物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.文章主要介绍了作者所在组在新型铁基超导体方面的最新研究进展,包括:(1)铁基超导材料探索研究;(2) 铁基超导体的单晶制备及物性研究;(3)铁基超导体的电子相图及自旋密度波(S DW )和超导共存研究;(4)同位素交换对超导转变和S DW 转变的效应.最后,在已完成的工作基础上提出了一些今后的研究方向和发展前景.关键词 铁基超导体,自旋密度波,相图,结构相变 N e w i r o n -p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r s C H E N X i a n - H u i ? (H e f e iN a t i o n a lL a b o r a t o r y f o rP h y s i c a l S c i e n c e a tM i c r o s c a l e a n dD e p a r t m e n t o f P h y s i c s ,U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f C h i n a ,H e f e i 230026,C h i n a )A b s t r a c t T h ed i s c o v e r y o f s u p e r c o n d u c t i v i t y w i t hac r i t i c a l t e m p e r a t u r e (T c )h i g h e r t h a n40Ki nt h e i r o na r s e n i d eL n (O ,F )F e A s h a s d r a w nm u c h i n t e r e s t i n c o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s .L a t e r d i s c o v e r i e s ,i n c l u -d i n g t h e e n h a n c e m e n t o f T c u p t o 55K ,h a s e v o k e d i n t e n s e e x c i t e m e n t i n t h e p i l g r i m a g e t o w a r d s t h e u n d e r -s t a n d i n g o f t h em e c h a n i s mo f h i g hT c s u p e r c o n d u c t i v i t y ,w h i l e p r o v i d i n g a b r a n d n e wf a m i l y o fm a t e r i a l s t o a d d r e s s t h i s i s s u e .I n t h i s r e v i e ww e p r e s e n t o u r g r o u p 'sm a j o r r e s e a r c h o n n e w i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s ,i n c l u d i n g :(1)o u r i n i t i a l i n v e s t i g a t i o n s ;(2)t h e s y n t h e s i s o f i r o n a r s e n i d e s i n g l e c r y s t a l s a n d t h e c h a r a c t e r -i z a t i o no f i t s p h y s i c a l p r o p e r t i e s ;(3)t h e e l e c t r o n i c p h a s e d i a g r a mo f i r o n b a s e d s u p e r c o n d u c t o r s a n d t h e c o -e x i s t e n c eb e t w e e n s p i n d e n s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i v i t y ;(4)t h e e f f e c t o f i s o t o p e e x c h a n g e o n s p i n d e n -s i t y w a v e s a n d s u p e r c o n d u c t i n g t r a n s i t i o n s .T o f i n i s h ,w e p r o p o s e p o s s i b l e f u t u r e d i r e c t i o n s i n t h i s f i e l d .K e y w o r d s i r o n - p n i c t i d e s u p e r c o n d u c t o r ,s p i nd e n s i t y w a v e (S DW ),p h a s e d i a g r a m ,s t r u c t u r a l t r a n s i t i o n * 国家自然科学基金二 国家重点基础研究发展计划(批准号:2006C B 601001,2006C B 922005 )和中国科学院资助项目2009-07-15收到 ? E m a i l :c h e n x h @u s t c .e d u .c n 1 引言 1986年,I B M 研究实验室的物理学家B e d n o r z (柏诺兹)和M ül l e r (缪勒)发现了临界温度为35K (零下238.15℃)的镧钡铜氧超导体[1]. 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. 最近,由于在铁基L a O 1-x F x F e A s (x =0.05 0.12)化合物中发现有26K 的超导电性[2] , 层状的Z r C u S i A s 型结构的L n O MP n (L n =L a ,P r ,C e ,S m ;M =F e ,C o ,N i ,R u 和P n =P 和A s )化合物引起了科学家很大的兴趣和关注[3,4] .2008年3月, 四 906四 超疏水材料的研究进展 2015年5月3日 超疏水材料的研究进展 摘要：超疏水性材料因为它独特的性质，而在很多方面得到了广泛的应用。近年来，许多具有特殊润湿性的动植物表面同样受到关注。通过研究这些表面微观结构，人们成功地仿生制备出各种功能化超疏水表面，从而更好地满足工业中实际应用的需要。该综述简单地介绍了表面润湿的基本原理和一些自然界中的超疏水表面现象，重点介绍近几年超疏水表面应用的最新研究进展。最后，对超疏水表面研究的未来发展进行了展望。 关键词：超疏水、仿生、润湿、功能化表面 自然界中，经亿万年的自然选择，许多生物的表面都表现出优良的超疏水性能，比如荷叶、花生叶、莲叶等植物表面和水黾、鲨鱼表皮、沙漠甲虫、蝴蝶翅膀等动物体表。一直以来，这类自然现象都启发着各领域的科学工作者们，尤其是近几十年，仿生超疏水表面以其优越的防腐蚀、自清洁、防覆冰、抗菌等性能，在防腐、自清洁、建筑防水、流体减阻、防污等领域都有广泛的应用[1]。因此，对超疏水材料进行总结和展望，对这种材料的发展有重要的意义。 1超疏水原理 超疏水表面的定义可以从字面意思上进行理解，即指难以湿润的表面，固体表面的湿润性作为固体表面重要的特性之一，不仅受到固体表面粗糙度的影响，还受固体表面化学成分的影响，我们可以用液体与固体的接触角θ来作为是否湿润的判断依据。接触角越大，表面的疏水效果越好，反之亦然[2]。当θ=0°时，所表现为完全湿润；当θ<90°时，表面为可湿润，也叫做亲液表面；当θ>90°时，表面则为不湿润的疏离表面；当θ=180°时，则为完全不湿润。一般θ>150°被称为超疏水表面[3]。 接触角是衡量表面疏水性涂层湿润性的主要指标，但并不是唯一指标，在实际应用中还可以根据前进角、后退角的大小来考虑其动态过程。前进角与后退角是液滴前进或后退时与固体表面所成的临界角度。但是如果不断增加或减小固体 超导材料的研究进展 陈志义 2011326690110 应用物理11（1）班 摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词：超导高温超导体进展超导超导材料临界温度进展 引言：随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望。1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此，对于超导材料的研究如火如荼。 一、超导材料的概念 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二、超导材料的分类 超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。 1、低温超导材料 何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T c 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，T c在9K以上。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。 2、高温超导材料 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置 铁基超导体 对于现代人来说，超导已经不再是一件什么神秘的事情了，普通的中学生就已经知道了所谓的超导现象：当导体的温度降到一个临界温度时电阻会突然变为零。处于超导状态的导体称之为超导体。超导体除了电阻为零的特殊性质之外，人们后来又发现了它的另一个神奇的性质——完全抗磁性，也就是说超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场也完全“排挤”出去。这一现象也被称为“迈斯纳效应”。正是由于超导体的这一性质，而铁基材料通常具有铁磁性，因此被认为最不具备成为高温超导材料的条件。但最近的科研结果却打破了这一传统的束缚，铁基超导材料成为了高温超导研究领域的一个“重大进展”。 铁基超导体的发现历程 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。1986年，美国科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点，超导体的临界温度也不断“飙升”，在短短几年中，铜氧化合物的超导临界转变温度就被提高到134K（常压）和164K（高压）。然而直至今日，对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。 2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授Hosono的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。其实在2006和2007年Hideo Hosono小组就已经分别报道在LaFePO 和LaNiPO 材料中发现转变温度为2到7K的 超导电性。但这一次却立刻引发 了人们对这一体系的强烈关注 （下图为LaFeAsO的晶体结构）。 3月14日，中科院物理所闻海虎， 在镧氧铁砷 (LaOFeAs) 材料中用二价金属替换三价的La，在空穴型掺杂中取得重要进展，临界温度达到25K。3月25日，中国科技大学陈仙辉领导的科研小组又报告，氟掺杂钐氧铁砷化合物在临界温度43开尔文（零下230.15℃）时也变成超导体。3月28日，中国科学院物理研究所赵忠贤领导的科研小组报告，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日该科研小组又有新发现：氟掺杂钐氧铁砷化合物假如在压力环境下产生作用，其超导临界温度可进一步提升至55开尔文（零下218.15℃，将这场追求铁基高临界温度的竞争推向高潮，并保持着目前为止铁基超导体的临界温度最高纪录。 新的超导机制有望取得突破 超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展 摘要随着世界机械化以及工业化的发展，全球的水资源污染逐渐严重，人民群众对于水资源的供应以及淡水资源的处理越发关注，且为水资源处理技术的发展做出了较大贡献。作为水资源净化技术的重要组成部分，油水分离净化技术水平不仅关系着淡水资源的提供质量，而且对于人民群众的身体健康也具有重要影响。基于此，本文将超疏水材料制备及其在油水分离中的应用作为主要研究内容，通过对超疏水材料进行简单阐述，进而对超疏水材料的应用以及其在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。本文旨在为超疏水材料在油水分离中的应用研究提供几点参考性建议，并为水资源的净化处理技术发展提供积极的推动作用。 关键词超疏水材料制备；油水分离；应用研究 前言 由于工业化的发展导致海洋中的水资源污染情况越加恶劣，有大量的油产品以及机溶剂污染流入海洋中，对海洋中的水资源产生了严重破坏，进而为水资源净化技术提出了更高的要求，对人类生存与发展也产生了威胁。基于此种宏观环境，本文对超疏水材料在油水分离中的应用进行详细的研究与分析。 1 超疏水材料概述 超疏水材料主要是利用其中较为独特的化学结构以及其本身的润湿性能来作为水资源净化技术中的一种使用材料。由于该种材料在材质表面上具有润湿性的特殊原理，并能够作为超疏水材料而应用至油水分离的水资源净化中，其还具有两方面的特征。第一方面，表面为微纳米结构。第二方面，表面具有低表面能的特色。同时，在该种材料的制备过程中还具有成本较低以及制备材料环保的优势。因此，在油水分离的水资源净化中被广泛使用。但在超疏水材料的具体制备中还有耗时周期长的缺点，而该种缺点与实际制备中的优势相比并不对超疏水材料的实际应用构成威胁[1]。 2 超疏水材料的应用 由于超疏水材料在近几年的广泛使用中其本身的特殊性能受到各领域研究人员的关注，进而推动着超疏水材料在多个研究领域以及生活领域被应用。本文将超疏水材料的应用特性总结为以下五个方面。第一方面，自清洁的特性应用。由于超疏水材料本身具有良好的润湿性，在其进行使用的过程中能够对自身的灰尘与脏污进行自行清理。在具体的应用中，将超疏水材料的特性应用在城市高楼的建设中，利用超疏水材料的自清洁特性减少建筑玻璃清洁的次數，降低楼房玻璃清洁的成本，并在一定程度上节约水资源[2]。第二方面，抗冰雪的特性应用。由于在冰天雪地的寒冷地区，电线、航行等方面均会有风雪粘粘，进而导致电力能源的传输问题，并对正常的航行产生困扰。而应用超疏水材料的抗冰雪特性将 摘要：新型超导材料一直是人类追求的目标。本文主要从超导材料的性质，制 备，应用等方面探索超导材料科学的发展概况。随着高温超导材料制备方法的不断成熟，超导材料将越来越多的应用于尖端技术中去，超导材料的应用将给电工技术带来质的飞跃，因此，超导材料技术有着重大的应用发展潜力，可解决未来能源，交通，医疗和国防事业中的重要问题。 关键词：超导材料强电应用弱电应用超导制备 1. 引言 1911年荷兰科学家onnes发现纯水银在附近电阻突然消失，接着发现其他一些金属也有这样的现象，随着人们在Pb和其它材料中也发现这种性质：在满足临界条件（临界温度Tc，临界电流Ic，临界磁场Hc）时物质的电阻突然消失，这种现象称为超导电性的零电阻现象。只是直流电情况下才有零电阻现象，这一现象的发现开拓了一个崭新的物理领域。 超导材料具有1）零电阻性2）完全抗磁效应3）Josephson效应。这些性质的研究与应用使得超导材料的性能不断优化，实现超导临界温度也越来越高。一旦室温超导达到实用化、工业化，将对现代科学技术产生深远的影响。 2. 超导材料主要制备技术 控制和操纵有序结晶需要充分了解原子尺度的超导相性能。有序、高质量晶体的超导转变温度较高 ,晶体质量往往强烈依赖于合成技术和条件。目前，常用作制备超导材料的技术主要有： 2.1.1单晶生长技术 新超导化合物单晶样品有多种生长方法。溶液生长和气相传输生长法是制备从金属间氧化物到有机物各类超导体的强有力工具。溶液生长的优点就是其多功能性和生长速度 ,可制备出高纯净度和镶嵌式样品。但是 ,它并不能生产出固定中子散射实验所需的立方厘米大小的样品。浮动熔区法常用来制备大尺寸的样品 ,但局限于已知的材料。这种技术是近几年出现的一些超导氧化物单晶生长的 主要技术。这种技术使La 2 - x Sr x CuO 4 晶体生长得到改善 ,允许对从未掺杂到高度 掺杂各种情况下的细微结构和磁性性能进行细致研究。在T 1Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 9+d 和 Bi 2Sr 2 CaCu 2 O 8 中 ,有可能削弱无序的影响从而提高临界转变温度。最近汞基化合 物在晶体生长尺寸上取得的进展 ,使晶体尺寸较先前的纪录高出了几个数量级。但应该指出的是即使是高 Tc的化合物 ,利用溶液生长技术也可制备出高纯度的YBCO等单晶。 2.1.2高质量薄膜技术 目前 ,薄膜超导体技术包括活性分子束外延(MBE ) 、溅射、化学气相沉积和脉冲激光沉积等。MBE能制造出足以与单个晶体性能相媲美的外延超导薄膜。在晶格匹配的单晶衬底上生长的外延高温超导薄膜 ,已经被广泛应用于这些材料物理性质的基础研究中。在许多实验中薄膜的几何性质拥有它的优势 ,如可用光刻技术在薄膜上刻画细微的特征;具备合成定制的多层结构或超晶格的潜能。 在过去的 20年里 ,多种高温超导薄膜生长技术快速发展。有些技术已经适用于其它超导体的制备。目前所使用主要方法有溅射和激光烧蚀（脉冲激光沉积）。类似分子束外延这种先进薄膜生长技术也已经发展得很好。臭氧或氧原 2015年2月（上） 铁基超导材料研究进展 郭巧琴 （西安工业大学材料与化工学院，陕西西安７１００３２） ［摘要］本文首先对铁基超导体的发现历史进行了阐述，接着对不同结构体系的铁基超导材料的研究进展进行了详细论述。最后对铁基超导材料进行了总结与展望。 ［关键词］铁基超导体；晶格结构；高温超导电性；晶体生长 超导是某些物质在一定温度条件下（一般为较低温度）电阻降为零的性质。人们把处于超导状态的导体称之为“超导体”。１９１１年，ＨｅｉｋｅＫａｍｍｅｒｌｉｎｇｈＯｎｎｅｓ发现当温度降至０ｋ时，金属汞的电阻降到４．２ｋ［１￣２］。同时发现其他金属也有相似现象，从此超导研究开始了。 超导材料可分为传统超导和非传统超导。随后，重费米子超导体，铜基超导体，有机超导体和铁基超导体先后被发现。１９８６年，铜氧化高温导体的发现促使了超导材料的研究。 ２００８年２月底，日本东京工业大学Ｈｏｓｏｎｏ教授领导的研究小组报道在铁基层状化合物ＬａＦｅＡｓＯ中通过Ｆ掺杂发现了高达２６Ｋ的超导电性。 这引发了凝聚态物理界对超导的关注。铁基超导体的研究和发现已被美国《Ｓｃｉｅｎｃｅ》杂志评为２００８年世界十大科技进展之一［３］。 1铁基超导研究进展 与铜基超导材料不同，铁有５个３ｄ轨道，且均在费米能级周围，未掺杂铁基超导体具有抗磁性，这一点与铜基超导体也不同。最初发现的ＬａＦｅＡｓＯ铁基高温超导材料具有四方相层状结构，和ＺｒＣｕＳｉＡｓ结构相似。 但是，由于铁基超导体超导转变温度较低，人们并未广泛关注。直至二零零八年二月，Ｔｃ为２６Ｋ的ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ才被人们发现。 之后，用其他稀土元素，包括从Ｃｅ￣Ｓｍ的所有轻稀土元素，以及Ｇｄ，Ｔｂ和Ｄｙ等重稀土元素，均可完全替换掉Ｌａ，便可得到Ｔｃ在５０～５６Ｋ的超导体。 近年来探索铁基超导新材料领域的主要研究工作是氟基系列母体如ＡＥＦｅＡｓＦ的发现。 二零零八年十月日本Ｈｏｓｏｎｏ课题组报道了Ｔｃ＝２２Ｋ的超导体ＣａＦｅ１－ｘＣｏｘＡｓＦ［４］。 几乎同一时间，中国科学研究院物理研究所闻海虎课题研究小组也独立报道了发现ＡＥＦｅＡｓＦ系列母体。 该研究组通过稀土元素在ＡＥ位上的取代，合成了一系列新的具有高临界温度的铁基超导体材料。 闻海虎等人通过在ＬａＦｅＡｓＯ中，利用＋２价的Ｓｒ离子部分取代＋３价的Ｌａ离子，在ＬａＦｅＡｓＯ１－ｘＦｘ中发现了Ｔｃ＝２５Ｋ的超导电性。沿着这个研究思路，人们逐渐发现了Ｐｒ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ与Ｎｄ１－ｘＳｒｘＦｅＡｓＯ等空穴型铁基超导体［５］。 基于ＬｎＭＰｎＯ母体的铁基超导体（又名为ＦｅＡｓ－１１１１相结构）的发现，使人们对逐渐对ＦｅＡｓ层对于高温超导电性的重要性有了新的认识。 中国科学研究院物理研究所王楠林课题组和闻海虎课题组分别地进行了新型ＬａＦｅＡｓＯＦ铁基超导体材料输运性质测量研究［６］。 目前，多种不同结构体系的铁基超导体已经被开发研究出来，其主要体系有ＲｅＦｅＡｓＯ（１１１１体系）、ＬｉＦｅＡｓ或ＮａＦｅＡｓ（１１１体系）、ＡＦｅ２Ａｓ２（１２２体系）等。 在已知道的１２２和１１１１体系，层间耦合的强弱，决定了未掺杂的母体均发生反铁磁自旋密度波（ＳＤＷ）相变和结构相变的先后次序。封东来等通过对ＫｘＦｅ２Ｓｅ２进行各种本地和同步辐射实验测试，终于获得了完整的电子结构，并且测得了各向同性的ｓ波超导能隙［７］。 令人惊奇的是，这种材料的电子结构和以往的铁基超导体完全不同：整个费米面没有空穴，而只存在电子。 封东来教授课题组的这一研究发现意味着，ＫｘＦｅ２Ｓｅ２这种新的铁基超导体的配对机制及超导对称性都与其他已知铁基超导体不同，之前建立的铁基超导体的普遍图像将可能遭到颠覆。 陈仙辉等人利用ＦｅＡｓ自助熔剂法合成制备了新的１２２母体单晶材料ＥｕＦｅ２Ａｓ２，并对Ｅｕ位的Ｌａ掺杂单晶材料进行了制备生长。 之后，比较系统地测试了Ｌａ掺杂ＥｕＦｅ２Ａｓ２单晶材料在不同磁场中的磁化率、电阻率和比热，研究结果发现Ｅｕ２＋的磁性子的晶格具有变磁性，在一定的磁场中会发生Ａ型反铁磁性到铁磁性的转变。 随磁场强度增加，比热波动被控制，并且向低温方向转移，到达临界磁场强度后继续增强磁场，比热峰继而向高温方向漂移，该行为可导致变磁性。 在反铁磁态时，磁化率拥有有与ＳＤＷ相同的两度对称性，但是在铁磁态时，该两度对称磁化率行为将消失； 此外，当ＳＤＷ随镧掺杂被压制时，铁磁态更易在磁场下形成。 由此，便提出了各向异性的交换模型来理解实验现象。最后给出了ｘ＝０和０．１５单晶样品的详细的Ｈ－Ｔ相图和可能的磁结构［８］。 美国能源部橡树岭国家实验室的Ｓｉｎｇｈ等人对ＦｅＳｅ、ＦｅＳ和ＦｅＴｅ的电子结构、费米面、声子谱、磁性、电声耦合等进行了等密度泛函计算研究，提出掺杂的ＦｅＴｅ和Ｆｅ（Ｓｅ，Ｔｅ）都可能具有超导电性，特别是ＦｅＴｅ的自旋密度波具有更强的稳定性，因此掺杂的ＦｅＴｅ可能会拥有比ＦｅＳｅ更高的临界温度。 美国杜兰大学Ｍａｏ领导的研究小组制备出Ｆｅ（Ｓｅ１ｘＴｅｘ）０．８２系列多晶样品，发现０≤ｘ＜０．１５和０．３＜ｘ＜１．０两种超导相，在０．１５≤ｘ≤０．３范围内，两种超导相共存，在０．３＜ｘ＜１．０范围内，常压Ｔｃ最高可以达到１４Ｋ。 更为重要的是，研究发现只有当样品变为ＦｅＴｅ０．８２时，超导现象才会被抑制［９，１０］。Ｔａｋａｎｏ小组宣布用固相反应法成功合成了新型铁基超导材料ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ（ｘ＝０．１，０．２）。 研究结果显示，Ｓ取代效应抑制了母体ＦｅＴｅ在８０Ｋ时结构相的转变，这成为ＦｅＴｅ１－ｘＳｘ实现超导体的关键所在。 王楠林课题组借助Ｂｒｉｄｇｍａｎ法生长出Ｆｅ１．０５Ｔｅ和Ｆｅ１．０３Ｓｅ０．３０Ｔｅ０．７０单晶样品，并开展了细致的物性研究工作，揭示出额外铁离子对其性质的重要影响。 2总结与展望 铁基超导体具有高的、非常规的上临界场和较小的各向异性，并且相对铜氧化物超导体具有更大的想干长度，这些导致这类材料具有很大的应用潜力。 就机理而言，反铁磁涨落对超导是否有直接影响非常重要。所有欠掺杂的铁基超导材料反铁磁序是非常值得研究人员所探索的。阐明超导机理、费米面的形态以及其随掺杂的演化规律均可从单晶样品上获得可靠数据。 具有更高Ｔｃ的新超导体的发现可以从空穴掺杂、新结构或者多层的思路去探索研究。 铁基超导材料研究正在持续升温，新的发现层出不穷。 我国科研机构，特别是中国科学院，开展了卓有成效的研究工作，在以新型铁基超导体研究为核心的新一轮高温超导材料研究热潮 ２６ [键入公司名称] 铁基超导体材料[键入文档副标题] 吕鸿燕 14园林本2 1407220221 铁基超导体材料 以赵忠贤、陈仙辉、王楠林、闻海虎、方忠为代表的中国科学院物理研究所和中国科学技术大学研究团队因为在“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”方面的突出贡献获得了国家自然科学一等奖。之前，这一奖项已经连续3年空缺。 超导，全称超导电性，是20世纪最伟大的科学发现之一，指的是某些材料在温度降低到某一临界温度，或超导转变温度以下时，电阻突然消失的现象。具备这种特性的材料称为超导体。 超导是物理世界中最奇妙的现象之一。正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。 通常的低温超导材料中，电子是通过晶格各结点上的正离子振动而结合在一起的。但大多数的物理学家都认为，这一电子对结合机制并不能解释临界温度最高可达138开尔文（零下135.15℃）的铜基材料超导现象。每一种铜基超导材料都是由层状的“铜－氧”面组成，其中的电子是如何成对的，仍是未解难题。 在超导研究的历史上，已经有10人获得了5次诺贝尔奖，其科学重要性不言而喻。目前，超导的机理以及全新超导体的探索是物理学界最重要的前沿问题之一。它仿佛是镶嵌在山巅的一颗璀璨明珠，吸引着全世界无数的物理学家甘愿为之攀登终生。同时，超导在科学研究、信息通讯、工业加工、能源存储、交通运输、生物医学乃至航空航天等领域均有重大的应用前景，受到人们的广泛关注。 继铜基超导材料之后，日本和中国科学家最近相继报告发现了一类新的高温超导材料——铁基超导材料。美国《科学》杂志网站报道说，物理学界认为这是高温超导研究领域的一个“重大进展”。 高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。1986年，科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点。 超疏水材料研究进展 摘要:本文介绍了超疏水材料的性质、应用、转变、制备以及存在的问题等。详细介绍了超疏水材料在流体减阻中、抗腐蚀中、建筑防污耐水等领域内、微流体控制方面的应用和常用的几种制备方法。 关键词:超疏水材料；超疏水应用；制备 1 引言 近年来，超疏水材料引起了人们的普遍关注。所谓超疏水材料，就是指水在材料平面上的接触角大于150°的材料。超疏水材料的特性最初是在荷叶上发现的，荷叶表面的超疏水特性赋予了它们非常好的自清洁效应，污染物很容易被水滴带走[1]。有关超疏水的基础理论研究始于上世纪50年代，因其优异的自洁性有望在国防、众多工业领域和日常生活等方面有广阔的应用前景，研究工作备受各国重视。固体表面的润湿性是由其化学组成和表面微观结构共同决定的。目前，通过对荷叶表面自洁性的仿生研究表明，因其层级微、纳米结合的双微观结构和覆盖在上面的低表面能物质的协同效应而表现出完美的疏水性[2]。 人们通常用液体在材料表面的接触角来表征材料表面的润湿性。按照水滴在材料表面接触角大小的不同，我们可以将材料进行如下分类当接触角小于90o时，我们认为这种材料是亲水材料；如果水滴在材料表面的接触角小于5o，那么这种材料是超亲水材料，例如经浓硫酸和双氧水（体积比为7：3）处理过的硅片，水滴在它的上面会立刻铺展开，展示出超亲水的性质；当材料表面接触角大于90o时，我们认为这种材料是疏水材料；如果材料的表面接触角大于150o那么我们认为这种材料是超疏水材料，例如我们前面所提到的荷叶，水滴在其表面的接触角大于150o，不能稳定停留，极易滑落，因而造就了它“出淤泥而不染”的性质。如图1所示，（a）为亲水，（b）为疏水。 (a) (b) 超导材料 摘要：简要介绍了超导材料的发展历史、现状，对未来的超导材料的发展作了展望，并对目前超导材料的主要研制方法进行了分析。 关键词：超导体研究进展高温低温应用 一前言 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二研究现状 1.超导材料的探索与发展 探索新型超导材料在超导材料研究中始终起着关键的作用，同时也是一项高风险、高投入的研究工作。自1911年荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯发现汞在4.2K附近的超导电性以来，人们发现的新超导材料几乎遍布整个元素周期表，从轻元素硼、锂到过渡重金属铀系列等。超导材料的最初研究多集中在元素、合金、过渡金属碳化物和氮化物等方面。至1973 年，发现了一系列A 15型超导体和三元系超导体，如Nb 3 Sn、V 3 Ga、Nb 3 Ge，其中Nb 3 Ge超导 体的临界转变温度(T c)值达到23.2K。以上超导材料要用液氦做致冷剂才能呈现超导态，因而在应用上受到很大限制。1986年，德国科学家柏诺兹和瑞士科学家穆勒发现了新的金属氧化物超导材料即钡镧铜氧化物(La-BaCuO)，其T c为35K，第一次实现了液氮温区的高温超导。铜酸盐高温超导体的发现是超导材料研究上的一次重大突破，打开了混合金属氧化物超导体的研究方向。1987年初，中、美科学家各自发现临界温度大于90K的YBacuO超导体，已高于液氮温度(77K)，高温超导材料研究获得重大进展。后来法国的米切尔发现了第三类高温超导体BisrCuO，再后来又有人将Ca掺人其中，得到Bis尤aCuO超导体，首次使氧化物超导体的零电阻温度突破100K大关。1988年，美国的荷曼和盛正直等人又发现了T 1 系高温超导体，将超导临界温度提高到当时公认的最高记录125K。瑞士苏黎世的希林等发现在HgBaCaCuO超导体中，临界转变温度大约为133K，使高温超导临界温度取得新的突破。 2.超导材料的研究 2.1低温超导阶段 在梅斯勒发现超导体的抗磁性之后(相继有荷兰物理学家埃伦弗斯特根据有关的超导体在液氦中比热不连续现象(提出热力学中二级相变的概念)柯特和卡西米尔提出超导的二流体模型)德国物理学家F·伦敦和H·伦敦兄弟提出超导电性的电动力学唯相理论（即伦敦铁基超导,中国主导
超导体材料
中国在超疏水材料研究方面的进展
手性超材料研究进展
铁基高温超导体研究进展
超疏水材料研究进展
超导材料论文
铁基超导体
超疏水材料制备及其在油水分离中的应用研究进展
超导材料应用与制备概况
铁基超导材料研究进展_郭巧琴
铁基超导体材料
超疏水材料研究报告进展
超导材料及应用