新型鉀鉻砷超導(dǎo)材料摻雜和過渡金屬砷化物的第一性原理研究.pdf

1、超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制一直備受關(guān)注，吸引著大批研究人員的投入研究，傳統(tǒng)BCS理論預(yù)測(cè)的超導(dǎo)溫度的上限大約在30K左右，但在八十年代末，銅氧化合物超導(dǎo)的出現(xiàn)打破了這一預(yù)言上限。自此高溫超導(dǎo)備受關(guān)注，人們追求更高超導(dǎo)臨界溫度，但其超導(dǎo)原理卻一直沒有得出一個(gè)完美的理論解釋。隨后發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)、重費(fèi)米子超導(dǎo)等超導(dǎo)機(jī)制也不能用常規(guī)BCS理論解釋，所以必須構(gòu)建新的理論模型來解釋。
　　第一性原理計(jì)算方法從基本參數(shù)出發(fā)，在研究新材料電子結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)等

2、方面的優(yōu)點(diǎn)尤為突出。第一性原理計(jì)算對(duì)于實(shí)驗(yàn)和理論的支持日益重要，當(dāng)代高性能計(jì)算機(jī)集群的高速發(fā)展為計(jì)算的順利進(jìn)行提供有效的硬件支持，第一性原理方法計(jì)算結(jié)果的精度在不斷提高。
　　新型堿基鉻砷化合物A2Cr3As3(A=K,Rb,Cs)系列是2015年新發(fā)現(xiàn)的鉻基準(zhǔn)一維無機(jī)晶體超導(dǎo)材料，實(shí)驗(yàn)上測(cè)得一些性質(zhì)都偏離傳統(tǒng)BCS理論，表明此類化合物不能簡單劃分為常規(guī)超導(dǎo)體范疇。理論上，浙江大學(xué)周毅教授、杭師大戴建輝教授等人分別從平均場(chǎng)理論、重

3、整化群(RG)等方法出發(fā)對(duì)體系的能帶性質(zhì)及可能的超導(dǎo)配對(duì)機(jī)制進(jìn)行了分析。通過摻雜的方法來研究超導(dǎo)體的超導(dǎo)機(jī)制在實(shí)驗(yàn)上已非常普遍，在常規(guī)BCS超導(dǎo)材料里摻雜磁性材料時(shí)，其臨界溫度會(huì)急劇下降；而在非常規(guī)超導(dǎo)體中只有加入非磁性元素，其臨界溫度會(huì)被快速扼殺。這給我們判別超導(dǎo)體的超導(dǎo)類型提供了很好的指導(dǎo)意義。
　　本論文主要通過第一性原理計(jì)算模擬在純態(tài)鉀鉻砷材料中摻雜不同元素的方法來研究233型鉀鉻砷的超導(dǎo)機(jī)制，通過對(duì)比摻雜磁性元素錳Mn和

4、非磁性元素鋅Zn在摻雜前后電子能帶結(jié)構(gòu)、費(fèi)米面、態(tài)密度等變化，從側(cè)面反映單電子態(tài)對(duì)于磁性和非磁性有何具體的響應(yīng)和區(qū)別，結(jié)合第一性原理計(jì)算得到的其他信息來間接研究材料的超導(dǎo)機(jī)制。
　　計(jì)算發(fā)現(xiàn)摻入非磁性元素Zn后，Γ點(diǎn)的直接帶隙都由純態(tài)的0.19eV變大為0.33eV，A點(diǎn)直接帶隙急劇縮小至0.1eV內(nèi)。導(dǎo)帶和價(jià)帶變化明顯，軌道成分發(fā)生變化，dyz+dxz軌道對(duì)于費(fèi)米面附近的貢獻(xiàn)增加，純態(tài)中的準(zhǔn)一維能帶消失，費(fèi)米面形狀畸變。非磁性元

5、素的加入對(duì)費(fèi)米面附近的電子結(jié)構(gòu)影響非常大。
　　相比之下，在相同條件下?lián)饺氪判栽豈n后，費(fèi)米面附近的三條能帶稍有變化，仍然主要由dxy+dz2+dx2+y2三個(gè)軌道貢獻(xiàn)，且保留一個(gè)準(zhǔn)一維能帶。A點(diǎn)直接帶隙縮小至0.5eV內(nèi)，112-Mn1的Γ點(diǎn)的直接帶隙從純態(tài)的0.19eV變小為約0.05eV，112?Mn2仍然為0.19eV左右。Mn的費(fèi)米面形狀等的變化程度小于Zn，Mn的軌道對(duì)總態(tài)密度的貢獻(xiàn)大于Zn的軌道。同時(shí)注意到摻雜在不

6、同等效位上的變化不同，尤其在摻雜非磁性元素時(shí)，不同位置上的能帶圖相差較大。
　　結(jié)果表明加入非磁性元素鋅后所引起能帶圖上費(fèi)米面附近的變化明顯大于磁性元素錳，態(tài)密度圖和費(fèi)米面進(jìn)一步支持這一結(jié)論。通過第四章、第五章中對(duì)比本次計(jì)算的對(duì)比與分析，可以發(fā)現(xiàn)摻入非磁性元素對(duì)母體K2Cr3As3電子結(jié)構(gòu)的影響大于磁性摻雜，符合在非常規(guī)超導(dǎo)體中加入非磁性元素的一般規(guī)律，故計(jì)算結(jié)果支持K2Cr3As3鉻基超導(dǎo)為非常規(guī)超導(dǎo)體的假設(shè)。
　　其次，

7、研究生階段利用第一性原理主要計(jì)算了XPn2系列的過渡金屬化合物的電子能帶結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)。文中主要以MoAs2和WAs2為例，盡管它們與MoP2的化學(xué)成分相似，但MoP2是非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而MoAs2和WAs2都有中心反演對(duì)稱性。從對(duì)稱性上分析，它們不可能有Weyl點(diǎn)，但有可能存在Dirac點(diǎn)。所以，我們搜索了整個(gè)布里淵區(qū)發(fā)現(xiàn)除了自旋簡并外，費(fèi)米面附近沒有其他簡并交點(diǎn)，因此也排除了內(nèi)在Dirac或Weyl點(diǎn)的可能。兩個(gè)材料的Ε2分類表明屬