FeTe 层状材料的单晶制备
摘 要：超导材料一直是材料研究中的重点，无论是在基础研究还是潜在的应用领域都展现出了独特的价值。在低温下发现第一个超导材料汞后，人们陆续研究了其他金属和合金在低温下是否具有超导性，发现其并不稀少，在发现一系列超导体后总结超导体的六大黄金法则。经过一段时间总结出了超导性的微观理论--BCS理论。除了超导材料，具有层状结构的材料也是物理和化学领域广泛研究的课题。超导材料和具有层状结构的材料也有一定联系。通过插层反应可以控制层状材料物理性能，调节基体的晶体结构、化学价态、电子态和光学性质等一系列理化性质。近年来，层状范德华插层材料的数量和多样性迅速增加。这也反映了人们对该领域前景的乐观态度。
关键词：超导体；层状范德瓦尔斯材料；插层反应;固相合成法；水热合成法
- 超导材料的发展历史
人类文明的发展，离不开材料科学的革命。十八世纪工业革命以来，在电力的传输和应用中，材料中总是存在一定的电阻导致电能转化为热量散失，耗费了大量的能量。然而在1911年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂尼斯发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零，从而发现了超导材料，金属汞也就是人类第一个发现的超导材料。[1]将某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。原则上，如果将高纯金属视为理想导体，也可以具有零电阻状态，但超导体与纯零电阻状态的理想导体有着根本的不同，具有更多奇特的性质。 1933年，德国物理学家W.迈斯纳和R.奥克森菲尔德发现超导体的内部磁感应强度为零，即完全抗磁性，超导状态下的磁化率为-1，成为超导体的另一个重要特征指标。[2]
超导性发现后，人们陆续研究了其他金属和合金在低温下是否具有超导性。 已经发现大多数金属都具有超导性。 有些材料在常压低温下可以超导，有些则需要在高压低温下超导。 在元素周期表中，除了一些磁性金属如Mn、Co、Ni，碱金属如Na、K、Rb，一些磁性稀土元素、稀有气体和重元素，未观察到超导性，其他常见金属有 即使是非金属元素也可以实现超导。物理学家伯恩德·西奥多和马蒂亚斯（Bernd T Matthias）总结已知超导体的规律，提出探索新型超导体的六大黄金法则： ①高度对称，最好是立方结构； ②电子态密度高； ③远离氧元素； ④远离磁性； ⑤远绝缘体； ⑥远离理论家。[3] 物理学家麦克米兰（McMillan）等超导体的发现者经过了一些观察，通过合理的近似和简化参数，介绍了一些经验，总结了麦克米伦公式，可以定量计算超导体的超导跃迁温度。[4]
1980年代，人们发现同一种导电性差的化合物可以具有很高的超导性。 Tc可以是麦克米伦极限的数倍，所以被称为高温超导体。[5]2008年，日本东京工业大学Hideo Hosono团队在层状化合物LaOFeAs中掺杂了一定量的F而不是O，发现样品具有超导性，超导临界温度为26K。 第二个高温超导体家族——铁基高温超导体诞生。 [6]由于含铁材料一般具有磁性，以前认为很难获得超导性。 因此，在科学研究领域，铁基高温超导体的发现极大地加深了对超导机理的认识，在国际学术界引起了巨大反响，成为超导研究的新热点。
二、超导性的微观机理
超导性于1911年被发现，但直到1957年，巴丁、库珀和施里弗等人提出BCS理论，其微观机理才得到令人满意的解释。BCS 理论将超导性视为一种宏观量子效应。它提出金属中自旋和动量相反的电子可以配对形成所谓的“库珀对”，库珀对可以在晶格中无损耗地移动，形成超导电流。在提出 BCS 理论的同时，尼科莱·勃格留波夫（Nikolay Bogolyubov）还独立提出了超导的量子力学解释。他使用的 Bogolyubov 变换现在被普遍使用。电子之间的直接相互作用是相互排斥的库仑力。如果只有库仑力的直接作用，电子之间不能相互吸引，不能相互配对，但电子之间也存在以晶格振动（声子）为介质的间接相互作用。当电子之间的这种相互作用满足一定条件时，它们就可以相互吸引，正是这种吸引导致了“库珀对”的产生。粗略地说，就是当电子在晶格中移动时，它们会吸引相邻晶格点上的正电荷，使晶格点局部变形，形成局部高正电荷区。这个局部的高正电荷区域会吸引具有相反自旋的电子，并与具有一定结合能的原始电子配对。在非常低的温度下，这种结合能可能高于晶格原子的振动能。这样，电子对就不会与晶格交换能量，也就没有电阻，形成所谓的“超导”。[7]
三、层状范德瓦尔斯材料中的插层反应
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