以晶体学视角探索FeTe0.55Se0.45结构与超导电性关系

摘要：网友潮流先导报导：美国加州理工学院-应用物理与材料科学团队发现FeTe0.55Se0.45晶体材料是具有新的超导态的超导材料。引起笔者对这种晶体结构与其物理性能特别是超导电性关系探索的兴趣。

如果没人讲FeTe0.55Se045是超导材料，並且说是新的超导态，也不会想到去探索这种晶体会是什么结构状态。

网友潮流先导报导：美国加州理工学院-应用物理与材料科学团队发现FeTe0.55Se0.45晶体材料是具有新的超导态的超导材料。引起笔者对这种晶体结构与其物理性能特别是超导电性关系探索的兴趣。

首先从FeTe0.55Se0.45分子式和特殊的物理性能判断，该晶体结构不是Te和Se无序占位的固溶体结晶，即不是结构式Fe（Te0.55，Se0.45）结晶，而应该是两相（Fe0.55Te0.55）和（Fe0.45Se0.45）结晶，也可以进一步将两相化学式改为两相在该晶体中所占比例（FeTe）55（FeSe）45或更简化（FeTe）1.1（FeSe）0.9，分相结晶。

试图检索PDF-2数据库，用不同物相晶体结构数据探索其微结构状态。检索得到FeSe有4组PDF数据，其中2组四方晶系，2组六方晶系。FeTe有5组PDF数据，其中1个标X的不知晶系，没有可用结构信息，只有4种可用PDF数据，全都是四方晶系，没有六方晶系。

依据手头有的前苏联典型晶体结构资料（简称《资料》。报导含化合物类型、名称、晶格常数、空间群、每个晶胞分子数、原子坐标），FeTe和FeSe都与六方晶系的NiAs型典型结构同型。是否还有二者都是四方晶系本文不敢说。既使以后有资料说是四方晶系，作为认识这种晶体结构思想方法本探索同样适用。然而PDF-2数据库中FeTe没有六方相。试图参照Se和Te的离子半径（6配位6价）查到分别是0.042nm和0.056nm。用半径比参照FeSe六方相（PDF75-608），估算出同样结构类型FeTe的六方相晶格常数，结果偏离上述《资料》报导值太大，索性放弃估算，直接用上述《资料》报导数据进行探索。《资料》给出：

FeTe：P6₃/mmc（194）空间群，a=0.3808nm，c=0.5662nm

FeSe：P6₃/mmc（194）空间群，a=0.3644nm，c=0.5970nm。

二者都属于NiAs型结构。下图是典型NiAs型晶体结构模型。

NiAs型晶体结构模型图

结构中两种离子分层排布。每层都是等径球密堆积式排布，将Ni标为A，As标为B又C，形成…ABAC.ABAC.ABAC…在c方向重复堆垛。As离子在相邻层Ni形成的6配位的三角柱中。见离子在晶胞中分数坐标：

（0，0，1/2）

（1/3，2/3，1/4）

（2/3，1/3，3/4）

我们探索的FeTe和FeSe的Fe占Ni位，Te和Se分别占As位。

FeTe和FeSe同型，晶格常数虽然相近，但差值比较大，难于实现晶胞对晶胞共格结晶，可以形成两相非公度或公度超晶格的调制结构。由于利用实验数据有误差，只能对调制结构不同轴向长周期作出大至推算。

先估算a方向长周期：

二者晶格常数差值：

a（FeTe）-a（FeSe）=0.3808-0.3644=0.016nm

经过多少个晶胞（原晶格常数）才可以补成一个晶胞使二者形成一个共重合的长周期：0.3808/0.016=23.8≌24（个）。长周期a＊=0.3808X24=9.14nm。如用25个FeSe晶格常數估算，长周期：

a＊=0.3644x25=9.11nm

计算结果表表明FeTe和TeSe在a方向调制长周期a＊约为9.1nm。

用同样办法估算c方向长周期。二者晶格常数差值：

c（FeSe）-c（FeTe）=0.5970-0.5662=0.031nm。得到c轴重合时要经过的原晶胞数：0.5970/0.031=19.3≌19（个）。长周期a＊=0.5970x19=11.34nm

如果用FeTe估算长周期c*=0.5662x20=11.32nm。

计算结果表明FeSe和FeTe在c方向调制长周期c＊约为11.3nm。

由此得出结论性判断：

FeTe0.55Se0.45晶体不是Se和Te固溶的铁系超导材料，而是以（FeTe）55和（FeSe）45之比作长周期超晶格调制结构结晶。

FeTe与FeSe有共同的结构类型：在c方向离子层独立分层占位，每层具有相同的二维六角晶格，但二维离子层不同，交替沿（1/3）a轴和（2/3丿b轴平移在c方向堆垛，层间距为（1/4）c。这种结构特征随温度和压力变化，阴阳离子层动作並不协动，引起结构畸变，形成内应力，产生特定物性。

更重要的是FeTe0.55Se0.45晶体並非Te与Se无序固溶占位，而是分成微相，形成三维长周期超晶格调制结构。晶格畸变内应力以三维周期性分布整个晶体，钉扎晶格振动，在高于或远高于绝对零度停止晶格振动，呈现超导电性。晶体结构状态决定电子态，而不是电子态决定晶体结构。

理解晶体结构物理本质：可以认为原子是以原子核为核心的电子云分布，晶胞就是这种分布构成的多核心电子云分布结构单元，晶格是电子云分布结构单元形成的周期性电子云分布“波”。FeSe0.55Te0.45又形成长周期超晶格调制结构，在三维方向原晶格“波”上载波“调制长周期波”。原文报导的创新发现的物理性能特别是超导电性和这种结构状态密切相关。

本文对FeTe0.55Se0.45给出的结构状态对性能关系仍然是孤立的模型化的。由不同结构特征之间的相互影响作用，实际晶体结构状态与性能关系比这种判断要复杂。