新型高溫超導(dǎo)候選材料ALaCuO3FeAs(A=Ca,Sr,Ba)的設(shè)計(jì)與物性研究.pdf

1、自2008年鐵基高溫超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)后，人們一直致力于尋找更多的鐵基超導(dǎo)材料，并對(duì)鐵基超導(dǎo)體進(jìn)行了廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn)，同銅氧化物超導(dǎo)體均含有CuO2超導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)相似，鐵基超導(dǎo)體均含有Fe2Pn2(Pn=As，P，Se)超導(dǎo)層，此外，兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體間還存在著許多其他可對(duì)比之處。對(duì)兩類(lèi)僅有的高溫超導(dǎo)體的對(duì)比研究為高溫超導(dǎo)機(jī)理的探索研究提供了一些方向性的依據(jù)，然而仍然沒(méi)能解決高溫超導(dǎo)的機(jī)理問(wèn)題。而近兩年來(lái)鐵基超導(dǎo)材料的制備也進(jìn)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(dǎo)材料以進(jìn)行比較研究。
　　 在兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體中，它們的母體化合物在常溫下都為四方晶系結(jié)構(gòu)，均由超導(dǎo)層和電荷庫(kù)層構(gòu)成，且它們?cè)赼b面上的晶格常數(shù)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(kù)層元素，這些特點(diǎn)表明具有相同電荷庫(kù)層的兩類(lèi)超導(dǎo)體的晶胞結(jié)構(gòu)有合并的可能，因此我們?cè)O(shè)想設(shè)計(jì)出同時(shí)擁有CuO2層和Fe2Pn2層的多“超導(dǎo)層”的材料。如果該類(lèi)同時(shí)

3、包含CuO2層和Fe2Pn2層的材料能夠制備出來(lái)，那么當(dāng)外界條件改變時(shí)，兩個(gè)“超導(dǎo)層”將會(huì)同步對(duì)外做出響應(yīng)。此時(shí)，對(duì)于這類(lèi)材料的性質(zhì)研究，將能讓我們更加準(zhǔn)確地辨別和理解高溫超導(dǎo)的本質(zhì)問(wèn)題，而不會(huì)受到在兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體的對(duì)比研究中出現(xiàn)的樣品質(zhì)量、操作習(xí)慣等外在因素的影響。同時(shí)，由于該類(lèi)材料同時(shí)包含CuO2層和Fe2Pn2層，其制備出來(lái)后，可能具有優(yōu)于現(xiàn)有兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。
　　 在本文中，我們?cè)O(shè)計(jì)出了同時(shí)包含CuO2層和Fe2

4、As2層的系列新型高溫超導(dǎo)體候選材料ALaCuO3FeAs(A=Ca，Sr，Ba)，采用基于密度泛函理論的全勢(shì)線性綴加平面波方法的Wien2k軟件包對(duì)該系列材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性分析。優(yōu)化結(jié)果表明，與構(gòu)成該系列材料的各原子形成的單相物質(zhì)和其它不同結(jié)構(gòu)的同組分物質(zhì)相比，ALaCuO3FeAs系列物質(zhì)在能量上均處于有利地位，其結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，在實(shí)驗(yàn)上是可能成功合成出來(lái)的。在完成新材料的設(shè)計(jì)后，我們對(duì)CaLaCuO3FeAs、SrL

5、aCuO3FeAs和BaLaCuO3FeAs三種物質(zhì)的態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，以預(yù)測(cè)其物理性能。結(jié)果表明三種物質(zhì)均具有金屬性，電子結(jié)構(gòu)也十分相似，并表現(xiàn)出與鐵基超導(dǎo)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(fèi)米面和兩支電子型費(fèi)米面，費(fèi)米能級(jí)上態(tài)密度主要來(lái)自Fe3d軌道和Cu3d電子的貢獻(xiàn)，其中Fe的態(tài)密度大于Cu。且ALaCuO3FeAs系列母體材料具有較強(qiáng)的各向異性，F(xiàn)e2As2層和CuO2層構(gòu)成它們

6、的導(dǎo)電層，其中Fe2As2層占主導(dǎo)地位，CuO2層導(dǎo)電性較弱，而LaO層和堿金屬離子層構(gòu)成電荷庫(kù)層。兩類(lèi)導(dǎo)電層的導(dǎo)電特性與兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體中相似，在Fe2As2層內(nèi)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(guò)As的超交換作用，CuO2層內(nèi)近鄰Cu離子間通過(guò)O離子產(chǎn)生超交換作用。新材料中，盡管CuO2層的導(dǎo)電性較差，但其與La2CuO4中相似的態(tài)密度說(shuō)明摻雜后導(dǎo)電性可能會(huì)增強(qiáng)；而Fe2As2層不弱的態(tài)密度和所形成的與鐵基超導(dǎo)體中

7、相似的費(fèi)米面說(shuō)明其可能會(huì)使得材料出現(xiàn)超導(dǎo)。兩類(lèi)導(dǎo)電層與在兩類(lèi)高溫超導(dǎo)體中相似的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電特性，說(shuō)明ALaCuO3FeAs系列材料可能是良好的超導(dǎo)候選母體材料，摻雜后可能出現(xiàn)超導(dǎo)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(jié)構(gòu)的變化。計(jì)算結(jié)果表明，空穴摻雜后，費(fèi)米能級(jí)出現(xiàn)下移，材料的總態(tài)密度出現(xiàn)下降，F(xiàn)e2As2層的態(tài)密度則出現(xiàn)增長(zhǎng)，CuO2層的態(tài)密度出現(xiàn)減小。我們認(rèn)為，在La的位置進(jìn)行Sr摻

8、雜后，CuO2層內(nèi)引進(jìn)了空穴載流子，因此導(dǎo)致該層內(nèi)態(tài)密度的變化，這同La2CuO4中Sr摻雜后出現(xiàn)超導(dǎo)的情況相同，說(shuō)明新材料中CuO2層仍應(yīng)具有與La2-xSrxCuO4中相似的作用和性質(zhì)，摻雜后仍應(yīng)會(huì)對(duì)超導(dǎo)電性產(chǎn)生貢獻(xiàn)，此時(shí)Fe2As2層態(tài)密度的增長(zhǎng)說(shuō)明該層導(dǎo)電性的增強(qiáng)。而在Sr位引進(jìn)電子摻雜后，F(xiàn)e3d電子態(tài)密度出現(xiàn)減小，Cu3d電子的態(tài)密度則一直變化不大，在Sr位進(jìn)行的La摻雜主要改變FeAs層的載流子濃度，對(duì)CuO2層的電子態(tài)密