新型铁基高温超导材料的同步辐射谱学研究

继铜氧高温超导体之后，日本和我国科学家在2008年相继发现另一类高温超导体――铁基超导材料。该超导材料的出现为解决高温超导机理难题提供了难得的契机。我们前期研究【Nature 459, 64】显示铁基超导材料具有大的铁同位素效应，表明晶格振动（声子）在新的超导材料中扮演十分重要的作用。然而，我们还不清楚声子是如何参与超导电子配对的。本项目拟利用基于同步辐射的温度相关EXAFS谱在微观上研究铁基超导材料中掺杂、超导电性和局域结构动力学之间的内在联系；研究FeAs4四面体的局域扭曲、Fe-As和Fe-Fe的振动对同位素掺杂的响应。这些研究有助于确定声子在铁基超导材料的超导机制中所起的作用。

铁基超导材料是继高温铜氧超导体后，被发现的另一类高温超导体。这类含铁的超导材料与铜氧超导体既相似，又展现出极大不同，迅速成为国际物理和材料领域的研究热点。先前的宏观同位素测量显示，铁基超导材料具有极大的铁同位素效应，表明该超导体中铁基平面的晶格振动在其超导机制中扮演重要作用。因此，从电子和原子尺度研究铁基超导材料中铁基平面的晶格动力学行为极为重要。. 在本项目的资助下，基于同步辐射X射线吸收谱学技术，在电子和原子水平上我们全面审视了铁基超导材料的同位素效应、掺杂效应和FeAs4四面体扭曲效应，分析了这些因素对其超导机制的影响，主要取得了如下创新性成果：1）在北京同步辐射实验室的XAFS线站发展了温度依赖（4 ~ 300 K）的EXAFS实验技术。利用该技术，结合相关Einstein理论模型，我们研究了Ba0.6K0.4Fe2As2超导体的微观铁同位素效应。研究发现同位素掺杂对Fe-As和Fe-Fe的平均健长和静态分布几乎没有影响，但调制它们的热无序分布，且Fe-Fe和Fe-As振动几乎有相当的同位素效应，表明Ba0.6K0.4Fe2As2具有与铜基高温超导材料不同的三维超导特性【Sci. Rep. (2013), 3: 1750】；2）利用XAS结合从头计算研究了（F，Zn）共掺杂LaFeAsO样品中Zn杂质对体系局域结构和电子结构的影响。观察到电荷再分配现象及FeAs4四面体重整化对超导电性的影响 【New J. Phys. (2012), 14: 033005】；3）测量了SmO1-xFxFeAs体系Sm L3边XANES谱，发现其白线峰存在某种量子临界现象，从头计算揭示这种临界现象起源于体系的氧空位【J. Synchrotron Rad. (2011), 18: 723；J. Synchrotron Rad. (2013), 20: 455】。. 同时，我们还将发展的同步辐射X射线谱学新技术应用于其它功能材料，例如铜箔纳米合金和锂/钠离子电池正极纳米材料等【Sci. Rep. (2014), 4: 4188；J. Phys. Chem. C (2013), 117: 6872】。. 在本项目支持下，我们已联合培养博士研究生2名；发表SCI论文5篇，综述论文1篇，会议论文2篇；参加国际会议和学术交流2人次。