新型高溫超導候選材料ALaCuO3FeAs(A=Ca,Sr,Ba)的設計與物性研究.pdf

1、自2008年鐵基高溫超導體被發(fā)現后，人們一直致力于尋找更多的鐵基超導材料，并對鐵基超導體進行了廣泛的研究。研究發(fā)現，同銅氧化物超導體均含有CuO2超導層的結構相似，鐵基超導體均含有Fe2Pn2(Pn=As，P，Se)超導層，此外，兩類高溫超導體間還存在著許多其他可對比之處。對兩類僅有的高溫超導體的對比研究為高溫超導機理的探索研究提供了一些方向性的依據，然而仍然沒能解決高溫超導的機理問題。而近兩年來鐵基超導材料的制備也進展緩慢，人們愈加迫

2、切地希望尋找到更多系列的高溫超導材料以進行比較研究。
　　 在兩類高溫超導體中，它們的母體化合物在常溫下都為四方晶系結構，均由超導層和電荷庫層構成，且它們在ab面上的晶格常數非常接近，均在0.38-0.4nm左右，此外它們還含有La、Sr、Ba、Ca、Nd等幾種共同的電荷庫層元素，這些特點表明具有相同電荷庫層的兩類超導體的晶胞結構有合并的可能，因此我們設想設計出同時擁有CuO2層和Fe2Pn2層的多“超導層”的材料。如果該類同時

3、包含CuO2層和Fe2Pn2層的材料能夠制備出來，那么當外界條件改變時，兩個“超導層”將會同步對外做出響應。此時，對于這類材料的性質研究，將能讓我們更加準確地辨別和理解高溫超導的本質問題，而不會受到在兩類高溫超導體的對比研究中出現的樣品質量、操作習慣等外在因素的影響。同時，由于該類材料同時包含CuO2層和Fe2Pn2層，其制備出來后，可能具有優(yōu)于現有兩類高溫超導體的超導性。
　　 在本文中，我們設計出了同時包含CuO2層和Fe2

4、As2層的系列新型高溫超導體候選材料ALaCuO3FeAs(A=Ca，Sr，Ba)，采用基于密度泛函理論的全勢線性綴加平面波方法的Wien2k軟件包對該系列材料進行了結構優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。優(yōu)化結果表明，與構成該系列材料的各原子形成的單相物質和其它不同結構的同組分物質相比，ALaCuO3FeAs系列物質在能量上均處于有利地位，其結構具有良好的穩(wěn)定性，在實驗上是可能成功合成出來的。在完成新材料的設計后，我們對CaLaCuO3FeAs、SrL

5、aCuO3FeAs和BaLaCuO3FeAs三種物質的態(tài)密度與能帶結構進行了第一性原理計算，以預測其物理性能。結果表明三種物質均具有金屬性，電子結構也十分相似，并表現出與鐵基超導體的相似性，在布里淵區(qū)的G-Z和M-A方向，分別存在三支空穴型費米面和兩支電子型費米面，費米能級上態(tài)密度主要來自Fe3d軌道和Cu3d電子的貢獻，其中Fe的態(tài)密度大于Cu。且ALaCuO3FeAs系列母體材料具有較強的各向異性，Fe2As2層和CuO2層構成它們

6、的導電層，其中Fe2As2層占主導地位，CuO2層導電性較弱，而LaO層和堿金屬離子層構成電荷庫層。兩類導電層的導電特性與兩類高溫超導體中相似，在Fe2As2層內既存在最近鄰Fe原子間的相互作用也存在次近鄰Fe原子通過As的超交換作用，CuO2層內近鄰Cu離子間通過O離子產生超交換作用。新材料中，盡管CuO2層的導電性較差，但其與La2CuO4中相似的態(tài)密度說明摻雜后導電性可能會增強；而Fe2As2層不弱的態(tài)密度和所形成的與鐵基超導體中

7、相似的費米面說明其可能會使得材料出現超導。兩類導電層與在兩類高溫超導體中相似的結構和導電特性，說明ALaCuO3FeAs系列材料可能是良好的超導候選母體材料，摻雜后可能出現超導電性。
　　 其后，我們選取SrLaCuO3FeAs研究了其在空穴和電子摻雜后電子結構的變化。計算結果表明，空穴摻雜后，費米能級出現下移，材料的總態(tài)密度出現下降，Fe2As2層的態(tài)密度則出現增長，CuO2層的態(tài)密度出現減小。我們認為，在La的位置進行Sr摻

8、雜后，CuO2層內引進了空穴載流子，因此導致該層內態(tài)密度的變化，這同La2CuO4中Sr摻雜后出現超導的情況相同，說明新材料中CuO2層仍應具有與La2-xSrxCuO4中相似的作用和性質，摻雜后仍應會對超導電性產生貢獻，此時Fe2As2層態(tài)密度的增長說明該層導電性的增強。而在Sr位引進電子摻雜后，Fe3d電子態(tài)密度出現減小，Cu3d電子的態(tài)密度則一直變化不大，在Sr位進行的La摻雜主要改變FeAs層的載流子濃度，對CuO2層的電子態(tài)密