[发明专利]一种添加Mg提高FeSe超导转变温度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及添加Mg烧结合成具有更高超导转变温度FeSe超导材料的方法，为合成具有更佳超导性能的铁基超导材料新技术，属于超导技术领域。

背景技术

2008年2月，日本东京工业学院Hosono小组报道了在LaFeAsO体系中掺杂F元素可实现高达26K的超导转变温度，由于铁的强铁磁性，很难想象在铁基化合物中存在超导性，这一突破性成果立刻引发了寻找高温超导材料的热潮。随后，国内外许多研究组通过加压和化学取代，相继报道了一系列具有超导电性的层状铁基化合物，此类材料被统称为铁基超导体。铁基超导体是继铜氧化合物高温超导体之后又被发现的一类新型高温超导材料，它的出现为高温超导电性的研究开辟了一个全新的研究方向。

根据基体化合物的成分和晶体结构，大致可以将铁基超导体分为“1111”、“122”、“111”和“11”4个体系，其中“11”型铁基超导体（FeSe系）是所有已发现的铁基超导体中结构最为简单且毒性最低的一个体系,其合成方法相对简单，上临界磁场也相对较高。与其他体系铁基超导体相比，在高磁场领域拥有更为广阔的应用前景。日本已经通过硒气相反应制备得到长为10cm的FeSeTe线材，其电流密度（J_c）值为100A cm^-2，表明了这种材料的潜在应用价值。但FeSe本身较低的超导转变温度（9K左右）大大限制了它在实际中的应用。因此，近几年世界各国科研工作者一直致力于提高FeSe超导转变温度的研究。其中，元素掺杂不仅是实现提高超导转变温度的一种途径，它作为一种“探针”也是探明超导机理、改善制备工艺的重要途径。先前人们对于Co、Ni、Cu、Mn、Zn、Mo、Cr等常规金属组元掺杂进行了研究，结果表明，这些组元的添加都在一定程度上抑制了超导转变温度。因此，寻找合适的金属组元添加剂，并开发出有效的掺杂合成技术是实现提高FeSe超导转变温度的关键，也一直是超导领域的研究热点。

发明内容

本发明通过适量的Mg添加，并结合二次烧结技术，使FeSe超导材料的超导转变起始温度从9.8K提高至12.1K。Mg添加以后主要与FeSe发生反应，置换出Fe生成MgSe。其反应如下：Mg+FeSe=MgSe+Fe。MgSe与未反应的FeSe共存，并对FeSe晶格常数产生影响，从而提高其超导转变温度，提高幅度达到20%以上。

具体技术方案如下：

一种添加Mg提高FeSe超导转变温度的方法，步骤如下：

1）将Fe粉和Se粉按Fe：Se=1：0.90～1.05的原子比例在玛瑙研钵或行星式球磨机中充分混合和研磨20～60分钟，然后在2～10MPa的压力下制成薄片；最后将薄片放入高温差示扫描量热仪或者管式烧结炉进行氩气保护气氛烧结，升温速率10～40℃/min，升至600～700℃后，在此温度保温烧结18～48个小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温；

2）将烧结好的FeSe块体取出，并再次研磨成粉；随后把Mg粉和FeSe粉按照0.2～1：1的原子比例混合，并在玛瑙研钵或行星式球磨机中充分研磨20～60分钟；然后在2～10MPa的压力下制成薄片，最后将薄片放入高温差示扫描量热仪中，在流动的高纯氩气保护下，以10～40℃/min的速率升温至700～800℃后，在此温度保温0.5～1个小时，然后以10～40℃/min的冷却速度降至室温得到烧结样品。

本发明的主旨是通过Mg添加，并采用二次烧结技术提高FeSe超导材料的超导转变温度。由图1给出的差热分析曲线可以看出，在二次烧结升温过程中，Mg的添加大大推迟了超导相β-FeSe向高温非超导相δ-FeSe转变反应温度（见图1中放热峰1），并且其反应程度也明显降低。从图2二次烧结样品的XRD图谱中可以发现，Mg主要与FeSe发生反应生成MgSe和Fe。仔细观察图2中的X射线图谱，MgSe和FeSe的衍射峰位置非常相近，它们的晶格常数也比较接近。这意味着MgSe的生成，并与FeSe共存，将对FeSe的晶格产生影响。根据X射线衍射数据计算发现，MgSe的存在使FeSe的晶格参数a和c都明显减小，这将对FeSe的超导转变温度产生显著的影响。