CN110183473A - 一种新型超导材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型超导材料及其制备方法，该新型超导材料由金属铍粉和甲烷加压制备获得，该新型超导材料的分子式为Ben(CH4)n，其中n≥2。本发明提供的新型超导材料的制备方法包括：提供铍粉和碳基氢化物，在密闭条件下，对所述铍粉和所述碳基氢化物进行加压压制处理。本发明提供的新型超导材料在20～80GPa的较低压力下可获得超导转变，解决了目前氢基超导体工作所需压力过大的问题；本发明提供的新型超导材料制备方法简单高效，可很好地应用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及超导材料技术领域，具体涉及一种新型超导材料及其制备方法。
背景技术
超导材料因其在一定温度下电阻会消失的特性，在能源、信息电子和量子器件等领域都有着重要的作用。目前超导材料大致可以分为传统超导体、铜基超导体、铁基超导体、界面超导体、有机超导体，氢基超导体等，其中氢基超导体被视为最有前景的高温超导体之一，但是其所需的工作压力过高(通常高于150GPa)，在实验室条件下都很难达到，因此无法大规模应用。
本发明所要解决的就是目前氢基超导体工作所需压力过大的问题，提供一种，使其可以在工业和日常生活等普通条件下工作。
发明内容
为解决上述现有技术中的氢基超导体工作所需压力过大的问题，本发明提供了一种在20～80GPa的较低压力下可获得超导转变的新型超导材料及其制备方法。
为了达到上述发明目的，本发明提供一种新型超导材料，其分子式为Ben(CH4)n，其中n≥2。
进一步地，所述新型超导材料的分子式为Be2(CH4)2、Be3(CH4)3、Be4(CH4)4、Be6(CH4)6或Be8(CH4)8。
更进一步地，所述新型超导材料的工作压力为20GPa～80GPa，临界超导温度为5.4K～15.7K。
本发明还提供一种上述新型超导材料的制备方法，包括：提供铍粉和碳基氢化物，在密闭条件下，对所述铍粉和所述碳基氢化物进行加压压制处理。
进一步地，所述碳基氢化物为甲烷。
进一步地，所述铍粉和所述碳基氢化物的物质的量比为1:1。
进一步地，所述加压压制处理的压力范围为20GPa～80GPa。
优选地，采用金刚石对顶砧作为加压装置对所述铍粉和所述碳基氢化物进行加压压制处理。
进一步地，所述金刚石对顶砧的垫片为铼片或T301不锈钢片，传压介质为氦气，压标物质为红宝石。
进一步地，在进行所述加压压制处理之前，分别对所述铍粉和所述垫片进行预压处理。
本发明提供的新型超导材料的制备方法是以铍粉和碳基氢化物作为原料，在密闭条件下进行高压处理，获得了工作压力低(为20GPa～80GPa)的新型氢基超导体，可很好地在工业生产中应用。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为本发明实施例所采用的金刚石对顶砧示意图；
图2为本发明实施例所采用的封气装置示意图；
图3为实施例1中加压产品的晶体结构图；
图4为实施例1中加压产品的电子态密度图谱；
图5为实施例2中新型超导材料的晶体结构图；
图6为实施例2中新型超导材料的电子态密度图谱；
图7为实施例3中新型超导材料的晶体结构图；
图8为实施例3中新型超导材料的电子态密度图谱；
图9为实施例4中新型超导材料的晶体结构图；
图10为实施例4中新型超导材料的电子态密度图谱。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
本发明的发明人基于现有技术中的氢基超导体工作所需压力过大的问题，提供了一种在20～80GPa的较低压力下可获得超导转变的新型超导材料及其制备方法。
本发明实施例提供了一种新型超导材料的制备方法，包括：提供铍粉和碳基氢化物，在密闭条件下，对铍粉和碳基氢化物进行加压压制处理。
进一步地，碳基氢化物为甲烷。
在制备过程中，铍粉和碳基氢化物的物质的量比可以为任意值。在获得的新型超导材料中，铍原子与碳基氢化物分子的物质的量之比为1:1，因此在提供原料时，铍粉和碳基氢化物的物质的量比优选为1:1。
进一步地，为了获得成型的产品，先对铍粉进行预压处理，将铍粉压成片状后再进行加压压制处理。
进一步地，采用金刚石对顶砧作为加压装置。
其中，金刚石对顶砧的垫片普遍选择铼片或T301不锈钢片，两种垫片的选择不会给最终的制备结果带来显著影响；传压介质选择氦气；利用红宝石的荧光峰在压力下的移动来标定压力，压标物质选择红宝石。
在进行加压压制处理之前，为了能在垫片上钻孔便于后续的压制处理，采用金刚石对顶砧对垫片进行预压处理，预压垫片至压力为15GPa，然后在垫片的压痕中心进行打孔。
进一步地，金刚石对顶砧施加的压力范围为20GPa～80GPa。
本发明实施例提供了一种新型超导材料，包括铍元素、碳元素和氢元素，新型超导材料的分子式为Ben(CH4)n，其中n≥2。
优选地，新型超导材料的分子式为Be2(CH4)2、Be3(CH4)3、Be4(CH4)4、Be6(CH4)6或Be8(CH4)8。
新型超导材料的工作压力为20GPa～80GPa，该新型超导材料随压力的变化表现出明显的空间结构变化。在不同压强下该新型超导材料的晶体结构可以通过基于粒子群算法的卡里普索(CALYPSO)软件精确获得。CALYPSO软件是一款结构预测方法软件，其基于结构对称性的分类检索思想，结合粒子群多目标优化算法，同时引入了成键特征矩阵的结构表征方法。CALYPSO方法通过给定物质的种类、化学配比和外界条件(如压力)，预测材料的基态及亚稳态结构，还可进行功能材料逆向设计。CALYPSO方法的高效可靠性已经在科研实践中得到了证实，目前已经被广泛应用到三维晶体、二维层状材料和表面、零维的团簇等体系的结构研究领域，成为理论确定材料结构的有效手段。
更进一步地，上述新型超导材料的临界超导温度为5.4K～15.7K。
相比现有技术中的工作压力高于150GPa的氢基超导体，本发明在密闭加压条件下，采用铍粉和碳基氢化物作为原料获得的新型氢基超导体，其工作压力在20GPa～80GPa范围内，可很好地在工业生产中应用。
以下将结合具体的实施例来说明本发明的上述新型超导材料及其制备方法，本领域技术人员所理解的是，下述实施例仅是本发明上述新型超导材料及其制备方法的具体示例，而不用于限制其全部。
实施例1
采用阿法埃莎(中国)化学有限公司的99.9％纯度的铍粉作为粉末样品。对粉末样品进行预压片，得到的样品片厚度约为20μm。
采用金刚石对顶砧作为加压装置，其示意图详见图1，采用铼片11作为垫片、氦气作为传压介质、压砧直径为300μm，红宝石球111置于金刚石对顶砧的样品腔内作为压力内标，利用红宝石的荧光峰在压力下的移动来标定压力。
用金刚石对顶砧在铼片上压出凹痕，预压压力为15GPa，之后在压痕的中心打孔，将样品片112置于孔的中心，然后利用封气装置充装甲烷，控制甲烷与样品的物质的量为1:1。给样品片和甲烷施加20GPa的压力，得到加压产品。其中，封气装置的示意图如图2所示。封气装置是专门针对金刚石对顶砧设计的，它的基本原理是：将金刚石对顶砧放在一个密封的容器中，将气体用压缩机压缩到比较高的压力下(约为0.15GPa)，然后将压缩后的气体通过气体通道打入密封的容器中，再将金刚石对顶砧在高压封装气体环境中合上，使气体封装进入金刚石对顶砧的样品腔中。
通过CALYPSO方法获得的上述加压产品的晶体结构如图3所示。从图3中可知，上述加压产品是由等物质的量的铍原子和甲烷分子组成的，其化学式为Be2(CH4)2。
上述加压产品的电子态密度图谱如图4所示，图4证明了该加压产品在20GPa压力下的金属化特征，这是加压产品具有超导电性的前提条件。
在20GPa压力下，上述加压产品在温度为5.4K时可以实现超导转变。也就是说，在20GPa的工作压力下，本实施例获得的加压产品是临界温度为5.4K的新型超导材料。
实施例2
本实施例与实施例1相同之处在此不再赘述，只说明本实施例与实施例1的不同之处，本实施例的不同之处在于：在加压压制处理过程中，给样品片和甲烷施加40GPa的压力，得到新型超导材料。
本实施例制备获得的新型超导材料，其晶体结构如图5所示。由图5可知，所述新型超导材料是由等物质的量的铍原子和甲烷分子组成的，其化学式为Be3(CH4)3。
上述新型超导材料的电子态密度图谱如图6所示，图6显示了该新型超导材料的金属化特征。
在40GPa压力下，上述新型超导材料在温度为13.3K时可以实现超导转变。也就是说，在40GPa的工作压力下，本实施例获得的新型超导材料的临界温度为13.3K。
实施例3
本实施例与实施例1相同之处在此不再赘述，只说明本实施例与实施例1的不同之处，本实施例的不同之处在于：在加压压制处理过程中，给样品片和甲烷施加60GPa的压力，得到新型超导材料。
本实施例制备获得的新型超导材料，其晶体结构如图7所示。由图7可知，所述新型超导材料是由等物质的量的铍原子和甲烷分子组成的，其化学式为Be4(CH4)4。
上述新型超导材料的电子态密度图谱如图8所示，图8显示了该新型超导材料的金属化特征。
在60GPa压力下，上述新型超导材料在温度为6.0K时可以实现超导转变。也就是说，在60GPa的工作压力下，本实施例获得的新型超导材料的临界温度为6.0K。
实施例4
本实施例与实施例1相同之处在此不再赘述，只说明本实施例与实施例1的不同之处，本实施例的不同之处在于：在加压压制处理过程中，给样品片和甲烷施加80GPa的压力，得到新型超导材料。
本实施例制备获得的新型超导材料，其晶体结构如图9所示。由图9可知，所述新型超导材料是由等物质的量的铍原子和甲烷分子组成的，其化学式为Be6(CH4)6。
上述新型超导材料的电子态密度图谱如图10所示，图10显示了该新型超导材料的金属化特征，满足了超导转变的条件。
在80GPa压力下，上述新型超导材料在温度为15.7K时可以实现超导转变。也就是说，在80GPa的工作压力下，本实施例获得的新型超导材料的临界温度为15.7K。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种新型超导材料，其特征在于，其分子式为Ben(CH4)n，其中n≥2。
2.根据权利要求1所述的新型超导材料，其特征在于，所述新型超导材料的分子式为Be2(CH4)2、Be3(CH4)3、Be4(CH4)4、Be6(CH4)6或Be8(CH4)8。
3.根据权利要求1或2所述的新型超导材料，其特征在于，所述新型超导材料的工作压力为20GPa～80GPa，临界超导温度为5.4K～15.7K。
4.一种如权利要求1～3任一所述的新型超导材料的制备方法，其特征在于，包括：提供铍粉和碳基氢化物，在密闭条件下，对所述铍粉和所述碳基氢化物进行加压压制处理。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳基氢化物为甲烷。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述铍粉和所述碳基氢化物的物质的量比为1:1。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述加压压制处理的压力范围为20GPa～80GPa。
8.根据权利要求4或7所述的制备方法，其特征在于，采用金刚石对顶砧作为加压装置对所述铍粉和所述碳基氢化物进行加压压制处理。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石对顶砧的垫片为铼片或T301不锈钢片，传压介质为氦气，压标物质为红宝石。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在进行所述加压压制处理之前，分别对所述铍粉和所述垫片进行预压处理。
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