博文
Materials：西北工业大学赵晓鹏团队——通过电致发光GaP异质相实现光激活的MgB2超导增强
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作者介绍
赵晓鹏（西北工业大学）
通讯作者简介：
赵晓鹏，西北工业大学二级教授、博士生导师，材料物理与化学学科专家，陕西省凝聚态结构与性质重点实验室学术委员会主任、超常条件材料物理与化学教育部重点实验室学术委员会副主任，2000年国家杰出青年科学基金获得者。长期从事智能材料、光信息材料与行为等方面研究，在Advanced Materials、Nature Commuications 等国内外期刊发表SCI收录论文480余篇，引用12,000余次，H-index 59；已获授权中国专利106项，另有34项已经公开；国内外出版专著13部 (章)。作为第一完成人获陕西省科学技术一等奖 (2005年)、二等奖 (2003年、2009年)，国防科学技术二等奖 (2005年)，中国航空工业科技进步三等奖 (1998年) 等。获国务院政府特殊津贴、国防科技工业有突出贡献中青年专家、中国流变学杰出贡献奖、陕西省优秀发明人等荣誉和奖项。自2014年首次公布起连续十二年入选爱思唯尔发布的中国高被引学者榜单。
齐尧（西北工业大学）
第一作者简介：
齐尧，西北工业大学物理科学与技术学院博士研究生，主要从事电致发光异质相增强MgB2超导性能及智能超构超导体相关研究。共发表SCI论文10篇，其中以第一作者发表4篇。
文章导读
MgB2是一类典型的电子-声子耦合超导体，具有较高的临界转变温度、较低成本和良好加工性能，在超导磁体、电力器件及低温功能器件等领域具有重要应用前景。然而，传统化学掺杂、纳米颗粒引入和微结构调控方法在提升临界电流密度或磁通钉扎能力的同时，往往容易带来晶格畸变、界面散射增强和晶粒连接性下降，从而限制超导转变温度与电磁性能的协同提升。
针对这一问题，西北工业大学赵晓鹏团队在Materials 期刊发表题为“Optically Activated Superconductivity in MgB2 via Electroluminescent GaP Inhomogeneous Phase”的研究论文。该工作将可电致发光的GaP异质相引入MgB2超导体中，系统研究异质相发光强度对MgB2结构、输运行为、Raman声子响应和磁性能的影响。研究结果显示，随着GaP异质相电致发光强度提高，MgB2的Tc、Jc和Hirr呈现协同增强趋势，为调控传统声子介导超导体提供了新的实验思路。
研究过程与结果
作者首先通过热注入法构筑了GaP电致发光异质相。该体系由[GaP:Zn/GaP]×m/[GaInP/GaP]×n和[GaP:Te/GaP]×m/[GaInP/GaP]×n两类多层核壳单元组成，并在后续处理过程中形成适合与MgB2复合的颗粒。电致发光测试表明，不同GaP样品在相同偏置条件下均表现出500–750 nm范围内的宽带发光，发光中心位于约600 nm附近，说明其能够在可见光范围内提供稳定的局域光场。XRD和XPS结果进一步表明，Zn、Te和In等元素能够以稳定化学状态进入GaP晶格，且未引入明显杂相。
图1. GaP电致发光异质相的发光光谱、XRD、SEM和XPS结果，用于展示异质相的稳定发光能力与结构稳定性。
在MgB2复合样品制备中，作者将GaP异质相添加量固定为0.5 wt.%，以减少组分和含量变化带来的干扰，并将研究重点集中在“发光强度”这一变量上。GaP批次按照相对电致发光强度标记为EL = 0、1000、2200、3960、4900、5800和6600，并分别与MgB2粉末复合、压片和烧结。通过这种设计，研究能够更清晰地比较非发光异质相、弱发光异质相和强发光异质相对MgB2超导行为的影响。
结构表征结果显示，引入0.5 wt.% GaP后，MgB2主体仍保持六方晶体结构，未观察到明显Ga或P相关副产物衍射峰。Rietveld精修表明，MgB2晶格参数只发生轻微变化，(101) 峰半峰宽和晶粒尺寸保持在较稳定范围内，说明GaP异质相并未严重破坏MgB2主体晶格。SEM和EDS结果显示，GaP在基体中呈分散分布，复合样品孔隙率降低、晶粒接触更加紧密，表明GaP异质相在一定程度上有助于促进烧结致密化和改善晶界结构。
图2. SEM/EDS和孔隙率、晶粒尺寸统计，用于展示复合样品微结构致密化与GaP分散分布。
电输运测试进一步揭示了发光强度与超导转变之间的关联。纯MgB2样品的Tc约为38.2 K；当引入非发光GaP异质相时，Tc略有降低，说明静态异质相本身可能带来界面散射或局部应变扰动。随着GaP电致发光强度从1000提高到6600，样品Tc由38.2 K稳步升高至39.6 K，最大提升约1.4 K；同时零电阻温度也同步上移，说明整个超导转变区间向高温方向移动，而不是仅出现局部起始转变的变化。
图3. GaP发光强度对MgB2电输运和超导转变行为的影响。
为了进一步理解这种转变温度提升的可能来源，作者在100 mA偏置电流下开展Raman测试，以激活GaP电致发光中心并观察MgB2关键声子模式的演化。结果显示，随着GaP发光强度增强，MgB2的E2g声子峰出现系统性红移和明显展宽：E2g峰位由纯样品中的约593 cm−1逐渐移动至发光复合样品中的约570 cm−1，半峰宽由约154 cm−1增加至超过210 cm−1。结合Allen-Dynes关系进行半定量分析后，电子-声子耦合参数λ随发光强度提高而由约0.856增加至0.889，其变化趋势与Tc提升保持一致。该结果支持这样一种认识：电致发光异质相在偏置激发下可能不仅作为静态第二相存在，还可能通过界面局域光场或电磁近场参与MgB2中E2g声子和电子配对环境的调控。
图4. Raman光谱揭示E2g声子与电子-声子耦合的协同演化。
除Tc提升外，GaP电致发光异质相还改善了MgB2的载流能力和磁通钉扎性能。磁测量结果表明，在20 K自场条件下，复合样品Jc由纯MgB2的9.55 × 104 A·cm−2提高至约1.61 × 105 A·cm−2，提升约69%。在外磁场下，该优势更加明显：2 T时Jc提升约97%，3 T时提升约174%。同时，Hirr提高约31.5%。归一化钉扎力分析显示，钉扎峰位置由约0.218移动至约0.272，说明GaP引入的纳米尺度界面、缺陷和局部应变场增强了点状钉扎贡献，使体系由以晶界/表面钉扎为主逐渐向晶界钉扎与点钉扎共同作用的状态演化。
总体来看，该研究提出的性能增强并非传统意义上的单一化学掺杂效应。一方面，GaP异质相能够改善样品致密化程度、优化晶界接触并引入额外磁通钉扎中心，从而提升Jc和Hirr；另一方面，GaP在偏置条件下产生的电致发光和界面激发态与Tc、Raman E2g声子特征及λ的协同演化相对应，提示发光激活态可能参与调控MgB2的电子-声子耦合环境。两类作用共同构成了“结构优化—界面发光激活—声子响应—超导性能提升”的协同调控路径。
研究总结
本文系统研究了GaP电致发光异质相MgB2超导性能的影响。结果表明，在固定0.5 wt.% GaP添加量的条件下，随着异质相发光强度提高，MgB2的Tc由38.2 K升高至39.6 K，20 K自场Jc提升约69%，高场Jc在2–3 T范围内最高提升约170%，Hirr提升约31.5%。这些结果说明，GaP电致发光异质相能够在同一材料体系中实现超导转变温度、临界电流密度和不可逆场的协同优化。
作者认为，该性能提升来源于多因素共同作用：GaP异质相的纳米分散分布有助于改善微结构和磁通钉扎，而其在偏置条件下产生的发光激活态可能进一步参与调控界面附近的声子和电子配对环境。需要指出的是，E2g声子软化、谱峰展宽和λ的变化更适合作为支持界面激活机制的实验依据，而不能简单视为对单一微观机制的直接证明。局部应变、缺陷散射、晶界结构和可能的热效应仍需通过更严格的原位温控Raman测试、局域场模拟和对照实验进一步区分。
阅读英文原文：https://www.mdpi.com/1996-1944/19/7/1456
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Materials 期刊介绍
主编： Maryam Tabrizian, McGill University, Montreal, Canada;Yuguang Ma, South China University of Technology, China
主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。目前，期刊已被 Scopus, SCIE (Web of Science), PubMed 等多个数据库收录。
2025 Impact Factor：3.7
2025 CiteScore：7.0
Time to First Decision：14.4 Days
Acceptance to Publication：3.6 Days
期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials
https://blog.sciencenet.cn/blog-3516770-1552809.html
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