铁基等新型超导材料的晶体结构与缺陷研究

铁基超导材料的结构及其对超导电性、磁性等物理性能的影响，对深入理解超导机理至关重要。本项目借助电子晶体学图像处理技术，针对铁基超导材料的结构特征，研究其原子分辨率水平的晶体结构和缺陷，包括相变前后晶体结构变化，掺杂元素与相变之间的关系，氧位掺杂、氧空位等。通过对结构问题的研究，深入理解超导与自旋密度波有序之间的竞争，探索微结构、结构不稳定性与超导电性之间的内在规律，为认识铁基超导电性的微观机制打下重要基础。项目所采用的方法本身不局限于电镜本身的分辨本领及成像条件，不要求实验像直接反映晶体结构，能大幅度地提高显微像的分辨率，揭示出原始像中看不到的结构细节，所得结果将优于常规方法所得。

材料结构对材料性能至关重要，一切宏观性能都是微观结构的反映。超导等功能材料的结构，包括晶体结构和电子结构对电性、磁性等物理性能的影响，对深入理解超导机理至关重要。本项目借助电子显微学和电子晶体学图像处理技术，集中研究铁基超导体等功能材料原子分辨率的晶体结构及缺陷核心原子组态，最终为探索新型超导体，研究材料性能与结构之间的规律，提供晶体结构方面的资料和依据。一方面，项目研究材料结构的同时探讨了提高200kV非场发射高分辨电镜（点分辨本领约0.2 nm）显微像质量的可行性，包括从含有畸变结构信息的实验像中恢复出正确的结构图像，以及提高像的分辨率。另一方面用先进的球差校正电镜技术研究新材料，包括对球差校正定量电子显微学的探讨。具特色的创新成果有：结合电子衍射和像解卷技术，成功辨认出Fe基1111相SmFeAsOF中间距远小于电镜点分辨本领的Fe和As、以及Sm和O原子。从一张高分辨电子显微像出发，第一次应用该方法使得近邻重原子1.17 Å间距的轻原子O清晰成像。此结果对研究铁基超导体的元素替代、Fe-As层间距变化以及由原子序数相差悬殊的原子组成的晶体结构有科学意义；利用高分辨电子显微术（高分辨像、STEM以及EDS）研究了新型Fe基超导体122相单晶 BaKFeMnAs及BaKFeAs的结构特征，得出不同掺杂样品的微结构差异，根据结构差异分析物性差别；通过实验结合模拟，研究了像差矫正电镜正、负球差条件下成像时像衬度变化规律，确定像差矫正电镜负球差像对应小像点尺寸； 样品不太厚时，随厚度及原子序数增加像点尺寸进一步减小。该结果表明负球差成像技术有利于电子显微学定量研究；用电子显微学技术确定两种新型层状硒氧化物Ba2MO2Ag2Se2 (M = Co, Mn) 中不存在文献报道的超结构，保持I4/mmm对称性；在La0.4Ca2.6Mn2O7中，通过图像处理获得了实验像上无法观察到的MnO6八面体畸变的原子分辨率图像，并发现该畸变导致的结构变化以微畴形式共存；得到异质外延LaCeCuO4/BaSrTiO3/LaSrMnO3的一种新界面结构；等等。本项目一方面得到一系列新结构资料，另一方面发展了实用高分辨电子显微学。