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20.05.2016

Elektrochemische Synthese eines neuen Supraleiters


Eisenbasierte Supraleiter wurden vor ein paar Jahren als die Verbindungsfamilie mit den zweithöchsten Übergangstemperaturen nach den Cuprat-Hochtemperatur-Supraleitern entdeckt. Sie sind vielversprechende Kandidaten für technologische Anwendungen, insbesondere für Hochfeldanwendungen. Doch viele Fragen in Bezug auf den Mechanismus der Supraleitung in diesen Materialien bleiben noch ungelöst.

Tetragonales Eisenselenid, Fe1+δSe (0,01 ≤ δ ≤ 0,04), ist einer der interessantesten Vertreter dieser eisenbasierten Supraleiter. Obwohl die Supraleitungsübergangstemperatur ziemlich niedrig ist (Tc = 8,5 K), bietet FeSe einzigartige Möglichkeiten für Strukturmodifizierungen, die Tc deutlich erhöhen. Die Interkalation von großen alkalischen Kationen wie K oder solvatisierten Lithium- und Eisenkationen in den Zwischenraum erhöht Tc bis zu 40 K. Der [Fe2Se2] Schichtabstand vergrößert sich dabei signifikant von 5,5 Å in FeSe auf mehr als 7 Å in KxFe1+δSe oder 9 Å in Li1-xFex(OH)Fe1+δSe, d.h. es findet eine weitgehende Modifikation der ursprünglichen Struktur unter Schwächung der Wechselwirkung zwischen den [Fe2Se2] Schichten statt. Daher wurde weithin vermutet, dass die Supraleitungsübergangstemperatur stark von der FeSe-Zwischenschicht-Wechselwirkung abhängt.

In einer Kollaboration zwischen der Max-Planck-MSU Partnergruppe der chemischen Fakultät der Lomonosov-Staatsuniversität Moskau (MSU) und dem Forschungsbereich Chemische Metallkunde am MPI CPfS wurde ein elektrochemischer Weg gefunden, die supraleitenden Eigenschaften von FeSe zu verändern. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Verfahren ermöglicht der elektrochemische Ansatz, nicht solvatisiertes Li+ in die FeSe Struktur einzubauen und dabei die ursprüngliche Anordnung von [Fe2Se2] Schichten und ihren kleinen Abstand zu bewahren. Obwohl die Menge des eingelagerten Lithiums extrem klein ist (etwa 0,07 Li+ pro Formeleinheit), verursacht der Li-Einbau eine Erhöhung von c bis zu 44 K.

Quantenmechanische Berechnungen zeigen, dass Li eine oktaedrisch koordinierte Position im Gitter einnimmt, während die [Fe2Se2] Schichten im Wesentlichen unverändert bleiben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die quasi-Zweidimensionalität der interkalierten Eisenselenide weniger bedeutend für das supraleitende Tc ist als bisher weithin angenommen. Wir erwarten daher, dass unsere Ergebnisse weitere Untersuchungen in diese Richtung stimulieren. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass der elektrochemische Zugang ein sehr leistungsfähiges Werkzeug für die Synthese neuer Materialien bereitstellt.

—> Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPFS)




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