材料學(xué)院朱靜課題組與物理系段文暉、薛其坤課題組在鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)氧化物研究中取得最新進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)12月2日電 近日，材料學(xué)院朱靜教授課題組、物理系段文暉教授課題組及薛其坤教授課題組在材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上聯(lián)合發(fā)表了題為“摻雜氧原子在鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)氧化物中的直接觀(guān)察”（Visualization of Dopant Oxygen Atoms in a Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ Superconductor）的研究成果。研究利用球差矯正電鏡中的iDPC-STEM成像和模擬技術(shù) (基于掃描透射成像的積分-微分相位襯度方法)，直接觀(guān)察到了Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ（Bi-2212）超導(dǎo)氧化物中的摻雜氧原子在晶格點(diǎn)陣中的位置。

適當(dāng)濃度的摻雜氧原子對(duì)于銅基超導(dǎo)氧化物中空穴載流子濃度和超導(dǎo)特性都至關(guān)重要。因此，測(cè)定摻雜氧原子的位置，了解引入摻雜氧原子后對(duì)原有晶體的對(duì)稱(chēng)性和電、磁序參量的影響，對(duì)于理解超導(dǎo)形成機(jī)制具有十分重要的意義。該工作利用iDPC-STEM技術(shù)，直接在原子尺度上觀(guān)察到了Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ中摻雜氧原子的位置（如圖1所示）。結(jié)果表明，室溫下?lián)诫s氧原子位于BiO和SrO原子層中間的張應(yīng)力區(qū)域，并呈現(xiàn)不均勻分布，有的區(qū)域出現(xiàn)成對(duì)氧原子，有的區(qū)域呈現(xiàn)單個(gè)氧原子。這表明BiO和SrO原子層層間為超導(dǎo)的空穴載流子庫(kù)。以實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)構(gòu)建了單胞的原子構(gòu)型，運(yùn)用第一性原理計(jì)算，研究了摻雜氧原子對(duì)點(diǎn)陣、軌道和電荷序參量的影響（如圖2所示）。結(jié)果表明，在原有無(wú)公度調(diào)制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，摻雜氧原子的引入加劇了BiO和SrO層的畸變，導(dǎo)致CuO₅配位場(chǎng)的畸變。同時(shí)，Bi原子與摻雜氧原子之間發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移。CuO₅配位場(chǎng)的畸變，也有利于電荷從BiO層向CuO₂層的轉(zhuǎn)移。該工作為超導(dǎo)機(jī)制的理解提供了幫助。

圖1. 超導(dǎo)Bi-2212中摻雜氧原子的iDPC-STEM像 (a)Bi-2212[010]帶軸的iDPC-STEM像 （b, c）Bi2212的原子結(jié)構(gòu)模型和基于原子模型的像模擬 （d, e）摻雜氧原子在不同位置的不均勻分布。

圖2. 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的摻雜氧原子Bi-2212結(jié)構(gòu)的DFT計(jì)算：（a, b）有摻雜氧原子Bi-2212弛豫后的結(jié)構(gòu)以及相對(duì)于無(wú)摻雜氧原子的原子位移圖； 摻雜前（c）后（d）摻雜氧原子附近的局域原子結(jié)構(gòu)。

文章的兩位審稿人都分別指出了文章的價(jià)值和重要性：“這項(xiàng)工作很有意義也非常重要。他們的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)為 Bi-2212超導(dǎo)體中電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理提供了合理的解釋和說(shuō)明。這個(gè)結(jié)果對(duì)高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的研究者有一定的幫助。”“Bi-2212化合物是一種非常重要的超導(dǎo)材料，該論文對(duì)該材料中摻雜氧原子的位置給出了清晰和結(jié)論性的闡述。”

該論文共同第一作者為材料學(xué)院宋東升博士（博士生期間完成工作），博士生張學(xué)峰和物理系廉朝勝博士（博士后期間完成工作），通訊作者為朱靜教授和段文暉教授。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目及973項(xiàng)目等支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201903843

供稿：材料學(xué)院

編輯：李華山

審核：呂   婷