近日，材料学院朱静教授课题组、物理系段文晖教授课题组及薛其坤教授课题组在材料领域权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上联合发表了题为“掺杂氧原子在铋锶钙铜氧超导氧化物中的直接观察”(Visualization of Dopant Oxygen Atoms in a Bi2Sr2CaCu2O8+δ Superconductor)的研究成果。研究利用球差矫正电镜中的iDPC-STEM成像和模拟技术 (基于扫描透射成像的积分-微分相位衬度方法)，直接观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ(Bi-2212)超导氧化物中的掺杂氧原子在晶格点阵中的位置。

　　适当浓度的掺杂氧原子对于铜基超导氧化物中空穴载流子浓度和超导特性都至关重要。因此，测定掺杂氧原子的位置，了解引入掺杂氧原子后对原有晶体的对称性和电、磁序参量的影响，对于理解超导形成机制具有十分重要的意义。该工作利用iDPC-STEM技术，直接在原子尺度上观察到了Bi2Sr2CaCu2O8+δ中掺杂氧原子的位置(如图1所示)。结果表明，室温下掺杂氧原子位于BiO和SrO原子层中间的张应力区域，并呈现不均匀分布，有的区域出现成对氧原子，有的区域呈现单个氧原子。这表明BiO和SrO原子层层间为超导的空穴载流子库。以实验获得的数据构建了单胞的原子构型，运用第一性原理计算，研究了掺杂氧原子对点阵、轨道和电荷序参量的影响(如图2所示)。结果表明，在原有无公度调制结构的基础上，掺杂氧原子的引入加剧了BiO和SrO层的畸变，导致CuO5配位场的畸变。同时，Bi原子与掺杂氧原子之间发生了电荷转移。CuO5配位场的畸变，也有利于电荷从BiO层向CuO2层的转移。该工作为超导机制的理解提供了帮助。

　　图1. 超导Bi-2212中掺杂氧原子的iDPC-STEM像 (a)Bi-2212[010]带轴的iDPC-STEM像 (b, c)Bi2212的原子结构模型和基于原子模型的像模拟 (d, e)掺杂氧原子在不同位置的不均匀分布。

　　图2. 基于实验结果的掺杂氧原子Bi-2212结构的DFT计算：(a, b)有掺杂氧原子Bi-2212弛豫后的结构以及相对于无掺杂氧原子的原子位移图; 掺杂前(c)后(d)掺杂氧原子附近的局域原子结构。

　　文章的两位审稿人都分别指出了文章的价值和重要性：“这项工作很有意义也非常重要。他们的实验和数据为 Bi-2212超导体中电荷转移机理提供了合理的解释和说明。这个结果对高温超导领域的研究者有一定的帮助。”“Bi-2212化合物是一种非常重要的超导材料，该论文对该材料中掺杂氧原子的位置给出了清晰和结论性的阐述。”

　　该论文共同第一作者为材料学院宋东升博士(博士生期间完成工作)，博士生张学峰和物理系廉朝胜博士(博士后期间完成工作)，通讯作者为朱静教授和段文晖教授。

　　该研究工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目和国家自然科学基金重大项目及973项目等支持。