中科院电工所研制出新型铁基超导体线材

铁基超导,中国主导在经历连续3年的空缺之后，2014年1月10日，来自中国科学院物理所和中国科技大学的研究团队，以“40K以上铁基高温超导体的发现及若干基本物理性质研究”问鼎国家自然科学一等奖。

我国超导科技取得的辉煌成就和影响远远超出了学术、科研和工业制造领域。

而铁基超导作为2008年才开始起步的研究项目，以新锐姿态成为超导领域最受重视的板块，吸引了世界上诸多优秀科学家的目光。

为什么铁基超导如此特别？针对它的研究对我们有什么影响呢？世界上有许多单质金属及其合金在特殊条件下都是超导体，即电阻为零，而且还具有完全抗磁性的特性。

一旦进入超导态，材料内部磁感应强度即为零，于是超导体就如同练就了“金钟罩、铁布衫”，外界磁场根本“进”不去。

正是由于这些特性，超导才具有极其深远的应用前景：利用零电阻的超导材料代替有电阻的常规金属材料，可节约输电过程中造成的大量热损耗；可组建超导发电机、变压器、储能环；可在较小空间内实现强磁场，从而获得高分辨率的核磁共振成像，或进行极端条件下的物性研究，或发展安全高速的磁悬浮列车……然而，要让这些物质进入超导态，必须满足一个十分苛刻的条件——环境温度接近绝对零度。

所以，之前提到的那些应用前景在现实生活中很难实现。

物理学家麦克米兰根据传统理论计算断定，超导体的转变温度一般不能超过40K（约零下233℃），这个温度也被称为“麦克米兰极限温度”。

然而，德国、日本科学家却相继发现了打破这一定律的物质。

而两组中国团队更是几乎同时在实验中分别观测到了43K和41K 的超导转变温度，突破了“麦克米兰极限”，证明铁基超导体是继铜氧化物后的又一类非常规高温超导体，在国际上引起极大轰动。

随后，一个来自中科院的研究组将该类铁砷化合物的超导临界温度提升至55K（零下218.15摄氏度），利用高压合成技术制备出一大批不同元素构成的铁基超导材料并制作了相图，这标志着铁基高温超导家族基本确立。

而中国科学家此次所使用的材料制备技术等为国际科学界进一步研究超导体提供了新工具。

铁基超导超导是物理世界中最奇妙的现象之一。

正常情况下，电子在金属中运动时，会因为金属晶格的不完整性（如缺陷或杂质等）而发生弹跳损耗能量，即有电阻。

而超导状态下，电子能毫无羁绊地前行。

这是因为当低于某个特定温度时，电子即成对，这时金属要想阻碍电子运动，就需要先拆散电子对，而低于某个温度时，能量就会不足以拆散电子对，因此电子对就能流畅运动。

传统的解释常规超导体的超导电性的微观理论预言，超导体的最高温度不会超过麦克米兰极限的39K。

在以往的研究中，只有1987年发现的铜氧化合物超导体打破了这一极限，被称为高温超导体。

最近，在铁基磷族化合物中发现的超导电性其超导临界温度可达55K，同样突破了传统理论预言的麦克米兰极限。

这是第一个非铜基的高温超导体，掀起了高温超导研究的又一次热潮。

铁基超导的研究进入了一个空前发展的阶段，各国都在进行这一新材料的研究，铁基超导体薄膜研究进展与铁基超导体大同位素效应就是其中的热点。

从2008年新的铁基高温超导体发现以来，铁基超导薄膜的研究进展相对缓慢。

这是因为较难精确控制人们所需要的亚稳相中的多元素配比、以及多种热力学相之间的互相竞争。

由于元素配比和不同热力学相竞争所导致的较少量的杂质，在块状材料的合成中有时可以接受，但对低维的薄膜材料却不能允许。

迄今已发现四种主要晶体结构的铁基超导体，包括含砷或磷（chalcogens）的1111相、122相、111相，以及含氧硫族元素（pnictogens）的11相。

它们都具有超导的Fe-X （X为As、P、Se、S或Te等）层，且前三类超导体中这些层由La-O等隔离层隔开，而超导的11相FeSe、Fe(Se,Te)只有Fe-X层，晶体结构最简单。

目前人们只得到了11相的单相、外延、超导薄膜。

而对含砷的铁基超导体而言，经过近两年的探索，仍未能得到单相的超导薄膜。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)超导实验室的曹立新副研究员带领博士生韩烨、李位勇，与相关科研人员合作，在国际上率先制备出单相的外延FeSe超导薄膜（第十届全国超导薄膜和超导电子器件学术研讨会，大连，2008年10月11日-15日），率先发表文章（Journal of Physics: Condensed Matter 21, 235702, 2009），并申请了国家专利。

超导输电技术发展现状与趋势摘要：由于我国电力资源与负荷资源分布极度不匹配，电力的远距离输送不可避免，特别是未来可再生能源的规模开发与利用，将会进一步加剧这种不匹配的格局，大规模的电力远距离输送在我国尤其重要。

超导输电技术是实现大规模电力远距离输送的潜在解决方案之一，近年来在国际上得到了较快发展，我国也有了很好的研究开发基础。

该文对我国超导输电技术的需求进行了分析，介绍了国内外超导输电技术发展的现状，分析了超导输电技术发展趋势，并提出了有关发展对策与建议。

关键词：超导输电技术，发展现状前言：随着化石能源的日益枯竭以及日益增长的环境压力等因素的驱动，人们已经认识到必须大力发展可再生能源，并逐步实现可再生能源替代化石能源的新能源变革［。

近年来，欧洲、美国和中国等国家的可再生能源发展十分迅速，装机容量增长速度年均超过 20% 。

2009 年，欧盟国家新增的电力装机中，可再生能源发电装机已占到62%以上［4］，超过了传统能源发电的新增装机。

随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。

根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020 年，光伏发电基本上可以实现平价上网。

2011 年，欧洲可再生能源委员会出版了一份名为《Ｒe-thinking 2050》的报告报告预测: 按照目前欧洲可再生能源的发展速度，到 2020 年，欧洲新增的电力装机将全部来自可再生能源; 报告也大体勾画了到 2050 年实现100% 可再生能源供应体系的路线图。

2011 年 1 月份，德国环境咨询委员会提交了一份名为《建立一个 100% 的可再生能源电力系统》的报告，该报告得出结论，到 2050 年，德国电力 100% 由可再生能源供应是可能的。

世界观察研究所的报告认为］: 到2050 年，中国可再生能源将达到总能源需求的40% ～ 45% 。

由此可见，可再生能源将在未来得到快速发展，而化石能源的比重将逐渐降低。

一，超导输电技术的优势超导输电技术是利用高密度载流能力的超导材料发展起来的新型输电技术，超导输电电缆主要由超导材料、绝缘材料和维持超导状态的低温容器构成，图1 和图2 分别是常温电绝缘和低温电绝缘的超导输电电缆的示意图。

铁基超导体对于现代人来说，超导已经不再是一件什么神秘的事情了，普通的中学生就已经知道了所谓的超导现象：当导体的温度降到一个临界温度时电阻会突然变为零。

处于超导状态的导体称之为超导体。

超导体除了电阻为零的特殊性质之外，人们后来又发现了它的另一个神奇的性质——完全抗磁性，也就是说超导体内的磁感应强度为零，把原来存在于体内的磁场也完全“排挤”出去。

这一现象也被称为“迈斯纳效应”。

正是由于超导体的这一性质，而铁基材料通常具有铁磁性，因此被认为最不具备成为高温超导材料的条件。

但最近的科研结果却打破了这一传统的束缚，铁基超导材料成为了高温超导研究领域的一个“重大进展”。

铁基超导体的发现历程高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度，电阻突降至零。

1986年，美国科学家发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。

自那以后，铜基超导材料成为全世界物理学家的研究热点，超导体的临界温度也不断“飙升”，在短短几年中，铜氧化合物的超导临界转变温度就被提高到134K（常压）和164K（高压）。

然而直至今日，对于铜基超导材料的高温超导机制，物理学界仍未形成一致看法，这也使得高温超导成为当今凝聚态物理学中最大的谜团之一。

因此很多科学家都希望在铜基超导材料以外再找到新的高温超导材料，从而能够使高温超导机制更加明朗。

2008年2月23日，日本科学技术振兴机构和东京工业大学联合发布公报称，东京工业大学教授Hosono的研究小组合成了氟掺杂钐氧铁砷化合物。

该化合物是一种由绝缘的氧化镧层和导电的砷铁层交错层叠而成的结晶化合物。

纯粹的这种物质没有超导性能，但如果把化合物中的一部分氧离子转换成氟离子，它就开始表现出超导性，并且在26K（零下247摄氏度）时具有超导特性。

其实在2006和2007年Hideo Hosono小组就已经分别报道在LaFePO 和LaNiPO 材料中发现转变温度为2到7K的超导电性。

但这一次却立刻引发了人们对这一体系的强烈关注（下图为LaFeAsO的晶体结构）。

铁基超导线材、带材的制备与临界电流密度提高铁基超导材料是一种在低温下表现出超导电性的材料。

相对于传统的铜氧化物超导材料，铁基超导材料具有更高的超导转变温度和更稳定的超导性能，因此受到了越来越多的关注。

其中，铁基超导线材、带材的制备和临界电流密度提高是铁基超导材料应用于能源传输和储存的关键问题之一。

铁基超导线材、带材的制备方法主要包括热压、化学共沉淀、磁控溅射、溶胶-凝胶、氧化物熔铸、电子束物理气相沉积等方法。

这些方法各具特点，适用于不同类型的铁基超导材料制备。

以化学共沉淀为例，其制备过程如下：首先，将金属盐和氧化物混合，经过加热后，形成一定比例的氧化物。

然后，将其中一些离子转移至溶液中，形成水晶。

最后，将水晶沉淀出来，经过干燥、热处理等过程，形成铁基超导材料。

制备铁基超导线材、带材的同时，提高其临界电流密度也是一个重要问题。

临界电流密度是指在超导材料中，所能承受的最大电流密度，超过这个值，超导状态就会被破坏。

提高铁基超导线材、带材的临界电流密度涉及到铁基超导材料的微观结构和物理性质等方面。

其中，以下几个方面可以对提高临界电流密度起到关键作用。

第一，控制材料的晶粒尺寸和取向。

晶粒尺寸和取向是影响临界电流密度的重要因素。

通常情况下，晶粒尺寸越小，临界电流密度越高。

此外，优选晶粒取向也能够提高临界电流密度。

通过优化制备工艺、控制热处理温度和时间等条件，可以有效控制材料的晶粒尺寸和取向。

第二，控制材料中的杂质含量。

杂质能够降低整个材料的超导性能，因此需要尽可能控制杂质含量。

铁基超导材料中的杂质主要包括空穴、非磁杂质、磁性杂质等。

在制备过程中，需要特别关注杂质的种类和来源，以便在合适的阶段进行处理。

第三，优化材料的结构和成分。

铁基超导材料的结构和成分对其超导性能有很大影响。

通过改变其结构和成分，可以优化材料的超导性能，并提高临界电流密度。

例如，引入纳米晶、制备纤维状材料等，都能够有效改善材料的超导性能。

第四，优化测量和控制条件。

铁基超导材料研究进展作者：万勇来源：《新材料产业》2017年第07期2008年2月，日本东京工业大学Hideo Hosono教授团队的研究发现，铁基氧磷族元素化合物LaOFeAs中，将部分氧（O）以掺杂的方式用氟（F）取代，可使其临界温度达到26K，这一突破性进展开启了科学界新一轮的高温超导研究热潮。

我国科研人员凭借在该领域的长期积累，开展了一系列卓有成效的研究工作，发现了众多新型超导结构类型，创造了56K的最高超导转变温度的世界纪录，并在超导机理方面取得了一系列的进展。

目前为止，发现的铁基超导材料主要有铁磷族和铁硫族化合物。

铁基超导材料大致可以分为以下几大体系：①“1111”体系，包括LnOFePn（Ln=La、C e、P r、N d、S m、G d、T b、D y、H o、Y；Pn=P、As）以及DvFeAsF（Dv=Ca、Sr）等；②“122”体系，包括AFe2As2（A=Ba、Sr、K、Cs、Ca、Eu）等；③“111”体系，包括AFeAs（A=Li、Na）等；④“11”体系，包括硒化亚铁（FeSe）、碲化亚铁（FeTe）等。

此外，近年来，陆续还有一些新的体系出现，如以Sr3Sc2O5Fe2As2为代表的“32522”体系、以Sr4Sc2O6Fe2P2为代表的“42622”体系，以及以La3O4Ni4P2为代表的“3442”体系等[1-3]。

一、铁基超导材料的研究新进展1.新材料的制备中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室陈仙辉教授团队通过水热反应方法，制备出一种新的铁基超导材料锂铁氢氧铁硒化合物：（Li0.8Fe0.2）OHFeSe，其超导转变温度达40K以上，该新材料由铁硒层和锂铁氢氧层交替堆垛而成，两者之间由极其微弱的氢键相连。

测量结果显示，该材料在约8.5K的低温存在反铁磁序，并与超导电性共存[4]。

美国艾姆斯国家实验室与德国波鸿鲁尔大学合作，制备出一种纯单晶铁基超导材料CaKFe4As4，在没有少量掺杂剂（如钴、镍）存在的情况下，临界温度高达35K。