[发明专利]钆钍氧铁砷高温超导材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温超导材料，具体涉及通式为Gd_1-xTh_xOFeAs的钆钍氧铁砷高温超导材料及其制备方法。

背景技术

当温度低于其超导临界温度T_c时超导材料具有零电阻特征、理想的抗磁效应(即迈斯纳效应)以及约瑟夫逊效应等超导态特性，因而能够实现无损耗电能传输，制成超导线圈产生强磁场，超导磁悬浮，制造基于约瑟夫逊效应等宏观量子效应的超导微波电子器件、灵敏的磁信号探测仪器-超导量子干涉仪(即SQUID)和实现超导量子计算等。

传统的合金超导材料(如Nb₃Sn)虽然具有较高的超导临界电流和机械力学性能，但它们的超导临界温度太低(T_c一般低于23K)，上临界磁场不够大(一般小于20T)，极大地限制了其应用范围。1986年发现的铜氧化物高温超导材料(如YBa₂Cu₃O₇)虽然超导临界温度T_c很高，上临界磁场B_c2也很大，但是由于磁通钉扎力较弱，在磁场下的超导临界电流很低，其实际应用同样受到较大的限制。2008年2月日本的研究小组公布一种属于ZrCuSiAs型结构的新超导材料LaO_1-yF_yFeAs，其超导临界温度Tc只有28K(Y.Kamihara，T.Watanabe，M.Hirano，and H.Hosono，J.Am.Chem.Soc.130，3296(2008).)。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种与LaO_1-yF_yFeAs相同晶体结构的钆钍氧铁砷化合物Gd_1-xTh_xOFeAs超导材料，提供的钆钍氧铁砷高温超导材料，具有很高超导临界温度和上临界磁场，超导临界温度Tc提高到56.5K；目的之二是提供钆钍氧铁砷高温超导材料块材的制备方法。

本发明提供的钆钍氧铁砷高温超导材料，属于ZrCuSiAs型结构，具有与超导体LaO_1-yF_yFeAs相同的晶体结构，通式为：Gd_1-xTh_xOFeAs，式中0.05≤X≤0.30，材料中各元素Gd、Th、O、Fe、As含量摩尔比为0.70～0.95∶0.3～0.05∶1∶1∶1。

本发明所述的钆钍氧铁砷高温超导材料的制备方法，制备步骤如下：

1)将原料GdAs、Gd₂O₃、ThO₂、FeAs和Fe粉或将原料GdAs、ThO₂、FeAs、Fe₂O₃和Fe粉，按照Gd、Th、O、Fe、As元素摩尔比为0.70～0.95∶0.3～0.05∶1∶1∶1的比例充分混合，在Ar气保护气氛中进行研磨，然后在400MPa的压强下进行冲压得到压片；

2)将上述压片密封在真空度大于0.1Pa的石英管中，放入管式炉中煅烧36～48小时，煅烧温度为1423～1473K，然后快速冷却到室温，得到钆钍氧铁砷高温超导材料的多晶块体。

本发明钆钍氧铁砷高温超导材料中的Gd、Th元素含量的摩尔比为0.70～0.95∶0.3～0.05，最佳摩尔比为0.80～0.75∶0.2～0.25。

本发明所述的煅烧温度为1423～1473K，最佳煅烧温度为1453K。

本发明提供的钆钍氧铁砷化合物Gd_1-xTh_xOFeAs，具有与超导体LaO_1-yF_yFeAs相同的晶体结构，稀土Gd替换La，并且用元素Th在Gd位进行掺杂引入电荷载流子，这些组分的改变影响了该材料晶体微结构和电子结构，产生了对超导性能有利的变化，与现有技术相比，超导临界温度从大约28K提高到56.5K，上临界磁场B_c2从60T以下提高到100T以上。

本发明提供了钆钍氧铁砷高温超导材料的化学配比范围，获得了超导性能更好的铁基ZrCuSiAs型结构超导体。采用Th部分替代Gd的方法引入电子型电荷载流子。相比于F部分替代O，Th对Gd的替代量可以更多，更有利于超导性能的优化。同时还采用更高的煅烧温度，有利于该结构物相的形成；通过快速冷却的方法抑制了缓慢降温过程中样品的分解。