铁基超导线带材研究现状及展望

来源：中国物理学会期刊网

|作者：张现平1,2 马衍伟1,2(1 中国科学院电工研究所) (2 中国科学院大学)本文选自《物理》2020年第11期摘要 铁基超导体具有极高的上临界磁场、较小的各向异性、简单的制备工艺等优点，在高场超导磁体、核磁共振谱仪、可控核聚变装置、高能粒子加速器等领域具有重要的应用前景。为满足上述高场强电应用需求，必须制备出高性能超导线带材。文章详细介绍了多种体系铁基超导线带材的研究进展，分析当前线带材研究中存在的问题，提出改善线材传输性能的途径，并对铁基超导线材的发展趋势进行展望。关键词 铁基超导体，线带材，临界电流密度01引 言 超导体的发现已经有一百多年的历史[1]，新型铁基超导体的发现再次激起了国际超导界的强烈关注。2008年2月，日本东京工业大学Hosono研究组在LaFeAsO1-xFx中发现其Tc达到了26 K[2]。同年3月，中国科学院物理研究所(以下简称中科院物理所)王楠林研究组采用Fe2O3作为提供氧元素的原材料成功合成了LaFeAsO0.9F0.1-δ 超导体[3]，中国科学技术大学陈仙辉等人合成得到了SmFeAsO1-xFx超导体，其临界转变温度提高至43 K[4]。4月，中科院物理所任治安等人又利用高压合成技术将含有氧空位SmFeAsO1-xFx超导体的Tc提高至55 K[5]。2012 年清华大学王庆艳等人在SrTiO3单晶衬底上制备的单层 FeSe 薄膜的Tc被提升至77 K[6]。除了Tc被不断提高，科学家们还陆续发现了多种其他结构的铁基超导体。2008年5月，德国Rotter等人制备的 Ba1-xKxFe2As2 的Tc高达38 K[7]，中科院物理所王楠林研究组制备的 Sr1-xKxFe2As2 样品的Tc也高达37 K[8]。同年7月，中国台湾中央研究院吴茂昆研究组首次报道FeSe化合物在8 K的温度下出现了超导电性[9]， 日本国立材料科学研究所 Mizuguchi 等人发现当对 FeSe1-x 施加1.48 GPa压力时，Tc会上升到13.5 K[10]。美国杜兰大学Fang等人将Te引入 FeSe，得到的 FeSe0.5Te0.5 样品的Tc达到15.2 K[11]。9月，中科院物理所靳常青研究组发现将Li+结合到 FeAs 导电层中形成 LiFeAs 晶体的Tc可达到18 K[12]。2010年10月，中科院物理所郭建刚等人发现在 FeSe 晶格层中间插入钾原子层，可得到基本层为 FeSe 的新型 KxFe2Se2 体系，且其Tc可达30 K[13]。2014年后，科学家们又陆续发现了Tc在20—40 K的112体系[14]和Tc在31—36 K的1144体系[15]。02铁基超导体的结构 迄今为止已有上百种铁基超导体被发现，这些超导体的晶体结构都为层状，如都含有Fe和氮族(P，As)或硫族元素(S，Se，Te)，Fe离子排列方式为上下两层正方点阵，氮族或硫族离子层被夹在Fe离子层间。导电层以及为导电层提供载流子的载流子库层交叉堆叠，并由于载流子库层的不同形成各种体系的铁基超导体[16]。已发现的铁基超导体大体可分为如图1所示的5种结构。它们分别是：图1 铁基超导体基本结构类型[17](1) 1111型。该类化合物具有 ZrCuSiAs 四方晶系结构，空间群为 P4/nmm。化学式为LnFePnO1-xFx (Pn=P, As； Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd等)，代表性化合物是LaFeAsOF、SmFeAsOF。该类化合物的Tc最高可达55 K；(2) 122型。该类化合物具有ThCr2Si2四方晶系结构，空间群为I4/mmm。化学式为AeFe2Pn2(Pn=P, As；Ae=Sr, Ba, Ca, La, Ce, Pr, Eu等)，代表性化合物是SrFe2As2，BaFe2As2，KFe2As2。该类化合物中空穴型掺杂化合物的Tc最高可达38 K，电子型掺杂化合物的Tc最高可达23 K，由FeSe作为导电层构成的122化合物的Tc最高可达30 K；(3) 111型。该类化合物具有PbFCl 结构，空间群为 P4/nmm。化学式为AFeAs(A为碱金属)，代表性化合物是LiFeAs，NaFeAs。该类化合物的Tc最高为18 K； (4) 11型。该类化合物具有β-PbO结构，空间群为P4/nmm。化学式为Fe1+xSe，Se位可掺杂Te或者S。代表性化合物是FeSe，FeSeTe。该类化合物常压下最高Tc可达15.2 K； (5) 新型结构超导体。如以Sr3Sc2O5Fe2As2为代表的32522相 ， 以Sr4Sc2O6Fe2P2为代表的42622相，以La3O4Ni4P2为代表的3442相，以CaFeAs2为代表的112相，以CaKFe4As4为代表的1144相等。03铁基超导线材制备方法 制备方法随着对铁基超导体研究的不断深入，科学家们发现与低温及铜氧化合物超导体相比，铁基超导体具有许多明显的优势[18]：(1)上临界场极高(100—250 T)，远高于MgB2(40 T)和传统低温超导体NbTi(11 T)与Nb3Sn(23 T)，在20 K时其上临界场仍高达70 T；(2)各向异性较低 (1