材料學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氧化物研究中取得最新進展
????????2019年12月2日獲悉，材料學院朱靜教授課題組、物理系段文暉教授課題組及薛其坤教授課題組在材料領域權威期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上聯合發(fā)表了題為“摻雜氧原子在鉍鍶鈣銅氧超導氧化物中的直接觀察”（Visualization of Dopant Oxygen Atoms in a Bi2Sr2CaCu2O8+δSuperconductor）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(基于掃描透射成像的積分-微分相位襯度方法)，直接觀察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ（Bi-2212）超導氧化物中的摻雜氧原子在晶格點陣中的位置。
????????適當濃度的摻雜氧原子對于銅基超導氧化物中空穴載流子濃度和超導特性都至關重要。因此，測定摻雜氧原子的位置，了解引入摻雜氧原子后對原有晶體的對稱性和電、磁序參量的影響，對于理解超導形成機制具有十分重要的意義。該工作利用iDPC-STEM技術，直接在原子尺度上觀察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中摻雜氧原子的位置（如圖1所示）。結果表明，室溫下摻雜氧原子位于BiO和SrO原子層中間的張應力區(qū)域，并呈現不均勻分布，有的區(qū)域出現成對氧原子，有的區(qū)域呈現單個氧原子。這表明BiO和SrO原子層層間為超導的空穴載流子庫。以實驗獲得的數據構建了單胞的原子構型，運用第一性原理計算，研究了摻雜氧原子對點陣、軌道和電荷序參量的影響（如圖2所示）。結果表明，在原有無公度調制結構的基礎上，摻雜氧原子的引入加劇了BiO和SrO層的畸變，導致CuO5配位場的畸變。同時，Bi原子與摻雜氧原子之間發(fā)生了電荷轉移。CuO5配位場的畸變，也有利于電荷從BiO層向CuO2層的轉移。該工作為超導機制的理解提供了幫助。
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圖1. 超導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的原子結構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。
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圖2. 基于實驗結果的摻雜氧原子Bi-2212結構的DFT計算：（a, b）有摻雜氧原子Bi-2212弛豫后的結構以及相對于無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構。
????????文章的兩位審稿人都分別指出了文章的價值和重要性：“這項工作很有意義也非常重要。他們的實驗和數據為 Bi-2212超導體中電荷轉移機理提供了合理的解釋和說明。這個結果對高溫超導領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材料，該論文對該材料中摻雜氧原子的位置給出了清晰和結論性的闡述?！?br>????????該論文共同第一作者為材料學院宋東升博士（博士生期間完成工作），博士生張學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家自然科學基金基礎科學中心項目和國家自然科學基金重大項目及973項目等支持。
????????論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.201903843
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