一些新型材料物性的理論研究.pdf

1、近十幾年來，由于理論計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)水平的高速發(fā)展，在密度泛函基礎(chǔ)上的第一性原理方法在量子化學(xué)、凝聚態(tài)物理和材料化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。第一性原理方法的優(yōu)勢(shì)在于在不違背物理原則的條件下，它不會(huì)像實(shí)驗(yàn)技術(shù)一樣由于條件限制在極限條件下遇到瓶頸，或者由于外因的干擾無法對(duì)真實(shí)的物理現(xiàn)象做出準(zhǔn)確的判斷。事實(shí)上，理論計(jì)算不僅可以用來解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象，給出其背后的物理本質(zhì)，還可以給出前瞻性的預(yù)言和設(shè)計(jì)，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方面的研究。這使得在現(xiàn)今的前沿科學(xué)領(lǐng)

2、域，第一性原理計(jì)算已經(jīng)成為一個(gè)不可或缺的研究手段。
　　 本論文主要包含以下幾個(gè)工作：利用第一性原理方法預(yù)言了一種新的三維sp2硼結(jié)構(gòu)—K4硼晶體；利用密度矩陣微擾理論研究了鎵摻雜的鍺超導(dǎo)體中的電聲耦合機(jī)制；基于第一性原理方法討論了利用FeAs單層模擬實(shí)際鐵基超導(dǎo)體中的摻雜效應(yīng)的可行性及與實(shí)驗(yàn)合作研究了不同Co摻雜濃度下的Ba(Fe2-xCox)As2的(0 0 1)表面性質(zhì)；利用第一性原理方法修正了Haggite晶體的結(jié)構(gòu)并解

3、釋了在Ag1.2V3O8中的鐵磁機(jī)理。
　　 在第一章中，我們簡(jiǎn)要介紹了密度泛函理論的框架、發(fā)展和應(yīng)用。作為主要部分，我們介紹了密度泛函理論中交換相關(guān)能量泛函的發(fā)展，從最初的局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)的不同到后來的自相互作用修正，雜化泛函，精確交換及優(yōu)化有效勢(shì)(OEP)等方法。同時(shí)我們也介紹了密度泛函理論向動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)及含時(shí)理論等方向的擴(kuò)展。在本章的最后介紹了一些常用的計(jì)算軟件包。
　　 在第二章中，

4、我們用第一性原理方法預(yù)言了一種新的硼晶體，即K4硼晶體。我們擬合能量-體積曲線得到的狀態(tài)方程顯示K4 硼晶體存在一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，聲子部分的計(jì)算也表明這個(gè)結(jié)構(gòu)沒有虛頻模式的存在，證明這個(gè)新結(jié)構(gòu)是一個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。通過與α-B12，β-B105和γ-B28的比較，K4硼具有最低的結(jié)合能，體模量和密度。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明這種新晶體是一個(gè)間接帶隙為約1.5 eV的半導(dǎo)體。這種新的三維全sp2結(jié)構(gòu)不僅在概念上是很吸引人的，同時(shí)也具有很廣的應(yīng)用前景。

5、>　　 在第三章中我們研究了鎵摻雜鍺超導(dǎo)體中的電子結(jié)構(gòu)，振動(dòng)及電子–聲子耦合性質(zhì)。鎵在鍺中的引入使得在鍺體系中引入了空穴，從而使體系發(fā)生半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變。我們發(fā)現(xiàn)通過鎵摻雜會(huì)使高頻光學(xué)聲子變軟，盡管這個(gè)變軟的程度比硼摻雜的金剛石超導(dǎo)體中要低。通過分析振動(dòng)模式與耦合常數(shù)的關(guān)系，我們發(fā)現(xiàn)在鎵摻雜鍺超導(dǎo)體中，聲學(xué)模式貢獻(xiàn)了耦合常數(shù)的25％左右。在我們用McMillan公式計(jì)算了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)取μ*=0.1時(shí)，計(jì)算得到的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為0.4

6、4K，與實(shí)驗(yàn)符合的較好，說明這個(gè)體系的超導(dǎo)機(jī)制可以通過傳統(tǒng)的通過聲子調(diào)制的配對(duì)機(jī)制來解釋。
　　 在第四章中，首先我們研究以單層FeAs來模擬母體材料中的幾何結(jié)構(gòu)以及電子結(jié)構(gòu)隨摻雜變化的可能性。我們發(fā)現(xiàn)在這種忽略層與層相互作用的模型里，在GGA和GGA+U框架下無法很好的得到與實(shí)驗(yàn)相匹配的結(jié)果，尤其是無法重復(fù)實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的條紋反鐵磁基態(tài)。這可能是由于在這個(gè)模型忽略了RO或者A層與FeAs層之間的相互作用，而這個(gè)相互對(duì)FeAs層的結(jié)

7、構(gòu)具有比較大的影響。以上的結(jié)果從反方面說明了要比較好的模擬FeAs層的性質(zhì)，簡(jiǎn)單的帶電單層是不合適的。另外我們還和曾長淦教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組合作，研究了Ba(Fe2-xCox)As2的(0 0 1)表面性質(zhì)，通過比較實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算得到的STM圖像和dI/dV曲線，我們認(rèn)為這個(gè)表面具有2×2的結(jié)構(gòu)，并且是一個(gè)只有50％Ba在最上層的半Ba表面。
　　 在第五章中，我們研究了Haggite晶體的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及Ag1.2V3

8、O8中的鐵磁機(jī)理。通過和謝毅教授領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)小組合作，我們重新分析了haggite的晶體結(jié)構(gòu)信息，我們認(rèn)為haggite應(yīng)該是V4O6(OH)4而非以前一直認(rèn)為的V4O4(OH)6。在這個(gè)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，理論計(jì)算得到的基態(tài)是一帶隙為1.4eV左右的半導(dǎo)體。當(dāng)溫度降低至66K左右時(shí)，有一個(gè)結(jié)構(gòu)相變，伴隨著電阻的急劇增加以及磁結(jié)構(gòu)的變化。在Ag1.2V3O8方面，我們結(jié)合EXANES實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很好的解釋了在V的L邊中肩峰的來由，并以此說明Ag1.