超导材料W3P单晶及其高温高压制备方法

本发明涉及超导材料领域，具体涉及一种常规超导体材料w3p单晶及其高温高压的制备方法。

背景技术：

1、高压通过改变原子间的距离、键长和键角进而影响材料特性，其作为一种重要的调控手段已经被广泛应用于超导材料领域的研究。通过高压提升材料的超导性能使这一技术成为超导研究中最重要的方法之一。同时，高压也是重要的材料制备方法，与常规的一些合成手段相比，其具有确保化学计量比、极大加快反应速率等独特的优势，并可以与温度、化学组分共同影响材料的合成。因此利用高温高压的实验条件，我们能合成很多常压下难以制备的新型材料。超导研究最终的目标是寻找常温超导体，因此，寻找更多尚未被发现的超导材料和提升材料的超导性能皆是超导研究中最为重要的研究工作之一。目前在超导领域，非常规超导还没有一个非常明确的超导机制，很多人把目光都聚焦在常规超导体上，很多研究都是基于现有超导材料调控其化学组分或者引入高压手段从而提升其超导转变温度。我们的工作则是通过高温高压的合成方法直接合成常压很难获得的超导材料单晶，其次通过调控温压条件改变材料的晶体结构从而提高材料的超导性能。

2、w3p是w-p化合物体系中第一个被发现的超导体，早在1965年有报道称w3p有着转变温度为2.25k的超导性质，但是由于钨熔点高(3400℃左右)，而红磷熔点低(590℃)且易挥发导致常规手段很难合成纯相的w3p晶体，单晶则更难制备，极大地限制了人们对其本征的物理性质的探索，目前尚未有人对其单晶进行详细的表征。由于单晶是研究材料本征物理性质及面向应用的最佳体系，因此生长出高质量的w3p单晶对我们探究其尚未被挖掘的物理性质例如电学、磁学、热学以及力学性质是很有必要的。

3、我们克服了传统制备方法的不足，利用相关的高压设备，首次成功地合成了w3p单晶，并具有比早年文献报道的常压下获得的w3p更高转变温度的性质。更有趣的是，我们通过调节温压条件，得到了不同晶体结构的w3p单晶，这些具有不同结构的单晶分别具有不同的超导转变温度。其次，我们通过高温高压合成方法还可以制备出致密的w3p多晶块体，样品经过抛光之后，我们测试其硬度，发现它具有良好的力学性能，这在超导材料领域并不常见。因此本发明在超导领域具有潜在的应用价值：首次通过高温高压的合成方法成功地合成了w3p单晶，方便人们对此材料的本征物理特性进行更加详细的探索，同时为我们提升材料的超导转变温度提供了一种新思路：通过高温高压合成方法调控晶体的结构从而改变其超导转变温度，为研究结构和物性的相互关系，特别是为超导领域提供了新的体系和思路。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服传统制备方法存在的缺点和不足，提供一种常规超导材料w3p单晶及其制备方法，具体为高温高压合成方法。本发明的w3p具有高于早期文献报道的超导转变温度(2.25k)的特点(最高tc可达6.4k)。本发明提供的w3p多晶块体的维氏硬度可达11gpa(制备条件为15gpa，1600℃，保温5min；硬度测量条件为加载力1000g下保载15s)。

2、本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。

3、一方面，本发明提供一种常规超导材料的单晶，其化学式为w3p。

4、优选地，在本发明所述的超导材料中，所述材料均为四方结构，三种结构不同具体表现为晶格常数和空间群的差别(phase2与phase1相比，晶格常数变化，a、b减小，c增大，整体体积缩小；phase3与phase1相比，空间群变化，对称性降低)。

5、优选地，在本发明所述的超导材料中，所述材料的第一种结构的空间群为i-42m，晶格常数其超导转变温度为5.7k。

6、优选地，在本发明所述的超导材料中，所述材料的第二种结构的空间群为i-42m，晶格常数其超导转变温度为5.9k。

7、优选地，在本发明所述的超导材料中，所述材料的第三种结构的空间群为i-4，晶格常数其超导转变温度为6.4k。

8、优选地，在本发明所述的超导材料中，所述材料的多晶块体的维氏硬度高达11gpa(1000kg加载，15s)。

9、另一方面，本发明提供一种制备本发明的常规超导材料的方法，其包括如下步骤：

10、(1)将钨粉和红磷粉末按照摩尔配比3：1的比例混合经过充分研磨混合均匀；

11、(2)将所述原料密封包裹后，进行合成；

12、(3)将合成产物降温至室温，卸压，从而制得w3p晶体。

13、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的研磨是在玛瑙研钵中研磨30min～1h进行的。

14、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的包裹体为hbn，合成所使用的温度为1600～3200℃，合成所使用的压力为4～15gpa，合成进行10～30min。

15、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的合成是在六面顶压机或6-8型二级推进压机中进行的。

16、优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中降温至室温用时小于等于10秒或用时5～30min完成。

技术特征：

1.一种常规超导体材料磷化钨(w3p)单晶，其特征在于：具有比常压获得的w3p的超导转变温度高的性质，且结构多样，其中，所有的单晶结构数据均来源于bruker d8 venture型号的x射线单晶衍射仪。

2.根据权利要求1所述的超导材料w3p的单晶，其中，所述w3p单晶的第一种结构的空间群为i-42m，晶格常数其超导转变温度为5.7k。

3.根据权利要求1所述的超导材料w3p的单晶，其中，所述w3p单晶的第二种结构的空间群为i-42m，晶格常数其超导转变温度为5.9k。

4.根据权利要求1所述的超导材料w3p的单晶，其中，所述w3p单晶的第三种结构的空间群为i-4，晶格常数其超导转变温度为6.4k。

5.一种制备权利要求1-4中任一项所述的超导材料的方法，其包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(1)中的研磨是在玛瑙研钵中研磨30min～1h进行的。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(2)中的包裹体为hbn，合成所使用的温度为1600～3200℃，合成所使用的压力为4～15gpa，合成进行10～30min。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(2)中的合成是在六面顶压机或6-8型二级推进压机中进行的。

9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(3)中降温至室温用时小于等于10秒或用时5～30min完成。

技术总结
本发明提供了一种常规超导体材料的单晶，其化学式为W3P。本发明还提供一种常压下很难获得其单晶的制备方法，其包括以下步骤：(1)将钨粉和红磷粉末以3：1的摩尔比例充分研磨混合均匀；(2)将所述原料密封包裹后，进行合成；(3)将合成产物降温至室温，卸压，从而制得W3P晶体。本发明首次制备出高质量的W3P单晶，首次发现调控其温压条件可以获得不同结构的W3P单晶。目前获得的3种不同结构分别对应不同的超导转变温度，5.7K，5.9K，6.4K，均比常压报道的Tc～2.25K高。本发明为提升材料的超导性能提供了一种新思路：通过高温高压方法直接在材料合成过程中调控其晶体的结构从而改变其超导转变温度。因此本发明在超导领域具有潜在的应用价值。

技术研发人员：向晓君,彭放,梁文嘉
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29