中野拓海等人揭示高温超导材料中的元素替代效应并成功合成新材料

Takumi Nakano（古天乐澳门太阳集团城app生院硕士课程，材料工程课程，2023 年完成/导师：氧化物材料工程实验室前田俊彦教授)等人古天乐澳门太阳集团城app组开发出氧化铜高温超导材料(((Pb_0.5铜_0.5)(高级_0.5啦_0.5)₂氧化铜₅^*1))中的元素替代效应，我们阐明了金属离子种类与超导发展之间的相关性，以及金属离子价态与化学成分之间的相关性，并成功合成了具有新化学成分的物质。此外，我们使用我们大学安装的原子分辨率分析电子显微镜澄清了取代元素的占据原子位置。
此成就将于 2023 年 5 月 4 日发布国际学术期刊《合金与化合物杂志》

[古天乐澳门太阳集团城app概述]
许多已知的复合铜酸盐基高温超导材料（以下简称高温超导材料）^*2) 是铜²⁺还有O^2-铜氧₂它的晶体结构中始终包含称为晶面的单元。在作为离子键合晶体的高温超导材料中，由于不同价态离子的元素置换而导致电荷平衡的变化以及由于Cu²⁺铜³⁺来补偿，此时Cu²⁺的漏洞成为载流子（电荷载流子）并产生超导性。在这些高温超导材料中，Nakano 等人。⁴⁺，铜²⁺，O^2-组成的 (Pb,Cu)-O 平面。在它们的晶体结构中。

(图1(Pb,Cu)-“1-2-0-1”晶体结构)

迄今为止，在Pb体系中，发现Pb离子可以具有+4价和+2价的混合价态，Cu-O₂控制载流子产生的因素有很多，例如除了平面上的Cu位点(Cu(2))外，(Pb,Cu)-O平面上还存在Cu位点(Cu(1))，以及显着的氧非化学计量，详细的物理性质尚未阐明。这次，中野等人。开发出(Pb,Cu)-“1-2-0-1”(T_c:25-35 K 时的铜)²⁺的替代效应并建立了基于“电荷补偿”（Pb_0.5M_0.5)(高级_1-x啦_x)₂氧化铜_z在成分式(M = Fe, Co, Zn)中，假设Fe和Co为+3价x=025，电荷变化为Sr²⁺还有啦³⁺的比例，一种新的化合物（Pb_0.5铁_0.5)(高级_1-x啦_x)₂氧化铜_z和（铅_0.5公司_0.5)(高级_1-x啦_x)₂氧化铜_z此外，X射线吸收光谱（XANES）^*3已证实Fe具有+3价。这种基于电荷补偿的成分确定机制将为未来的材料设计提供重要指导。请注意，Zn 被认为具有 +2 价，但当 M=Zn 时，正如预期的那样，x=05时，生成(Pb,Zn)-“1-2-0-1”相。

Fe、Co 和 Zn 取代 Cu 位点，但取代哪个位点是一个重要问题，Cu(1) 还是 Cu(2)。 Cu-O，超导阶段₂上的 Cu(2)表面对超导性能有很大影响。本古天乐澳门太阳集团城app制备的(Pb,M)-“1-2-0-1”中，只有M=Zn具有超导性(T_c：约 18K）。由此可以推断，Fe和Co取代了Cu(2)位点。图2显示了使用原子分辨率分析电子显微镜（STEM-EDS）的观察结果。

（图 2。（Pb_0.5M_0.5)(Sr,La)₂氧化铜_z (M= Fe、Co、Cu、Zn 的 STEM-EDS 图

发现Fe和Co在Cu(1)和Cu(2)位点均发生取代，而Zn主要在Cu(1)位点发生取代。根据半定量分析，Fe、Co和Zn分别取代了60%、50%和10%的Cu(2)位点，支持了上述推测。确定替代元素的占据位置对于氧化铜高温超导材料（而不仅仅是铅基材料）的古天乐澳门太阳集团城app非常重要，这项古天乐澳门太阳集团城app表明原子分辨率分析电子显微镜可以成为实现此目的的强大工具。

在这项古天乐澳门太阳集团城app中，我们还使用 XANES 实验确定了 Pb 的平均价态，但我们尚未确定 Cu 的平均价态，这仍是未来的主题。

先生中野说：“我很高兴能够以论文的形式记录我的古天乐澳门太阳集团城app成果。这是一项充实的古天乐澳门太阳集团城app，因为我能够使用各种方法阐明以前未知的领域。我非常感谢前田敏彦教授、藤田武教授和山下爱知助理教授的大力指导。”

[原始论文信息]
标题：(Pb_0.5M_0.5)(Sr,La)₂氧化铜z (z〜5; M = Fe、Co、Cu 和 Zn)((Pb_0.5M_0.5)(Sr,La)₂氧化铜z (z〜5; M = Fe、Co、Cu 和 Zn) 合成和物理性质

作者：Takumi Nakano，高知工业大学（古天乐澳门太阳集团城app生院硕士课程，材料工程课程，2023 年完成）
　　　Toshihiko Maeda，高知工业大学科学与工程学院教授
　　　高知工业大学理工学院藤田武教授
Aichi Yamashita，东京都立大学理学院物理系助理教授

论文是点击此处

^*1S。足立等 al，日本。 J应用程序。物理。 29（1990）L890。

^*2“超导”是指一定温度（超导转变温度；T_c)以下，电阻完全为零，有望应用于消除能量损失的电力传输技术。T_c1986年，在约30 K下出现了含铜的复合氧化物陶瓷T_c证实了这一点，并在随后约两年的潜心研发中发现了许多新型铜酸盐超导材料，这些材料现在被称为“高温超导医用材料”。目前T_c的最高值远远超过液氮的温度（77 K）。

^*3爱知同步加速器光学中心，BL5S1。

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