新型鉀鉻砷超導材料摻雜和過渡金屬砷化物的第一性原理研究.pdf

1、超導體的超導機制一直備受關注，吸引著大批研究人員的投入研究，傳統(tǒng)BCS理論預測的超導溫度的上限大約在30K左右，但在八十年代末，銅氧化合物超導的出現(xiàn)打破了這一預言上限。自此高溫超導備受關注，人們追求更高超導臨界溫度，但其超導原理卻一直沒有得出一個完美的理論解釋。隨后發(fā)現(xiàn)鐵基超導、重費米子超導等超導機制也不能用常規(guī)BCS理論解釋，所以必須構建新的理論模型來解釋。
　　第一性原理計算方法從基本參數(shù)出發(fā)，在研究新材料電子結構和材料特點等

2、方面的優(yōu)點尤為突出。第一性原理計算對于實驗和理論的支持日益重要，當代高性能計算機集群的高速發(fā)展為計算的順利進行提供有效的硬件支持，第一性原理方法計算結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)的鉻基準一維無機晶體超導材料，實驗上測得一些性質都偏離傳統(tǒng)BCS理論，表明此類化合物不能簡單劃分為常規(guī)超導體范疇。理論上，浙江大學周毅教授、杭師大戴建輝教授等人分別從平均場理論、重

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

4、非磁性元素鋅Zn在摻雜前后電子能帶結構、費米面、態(tài)密度等變化，從側面反映單電子態(tài)對于磁性和非磁性有何具體的響應和區(qū)別，結合第一性原理計算得到的其他信息來間接研究材料的超導機制。
　　計算發(fā)現(xiàn)摻入非磁性元素Zn后，Γ點的直接帶隙都由純態(tài)的0.19eV變大為0.33eV，A點直接帶隙急劇縮小至0.1eV內。導帶和價帶變化明顯，軌道成分發(fā)生變化，dyz+dxz軌道對于費米面附近的貢獻增加，純態(tài)中的準一維能帶消失，費米面形狀畸變。非磁性元

5、素的加入對費米面附近的電子結構影響非常大。
　　相比之下，在相同條件下?lián)饺氪判栽豈n后，費米面附近的三條能帶稍有變化，仍然主要由dxy+dz2+dx2+y2三個軌道貢獻，且保留一個準一維能帶。A點直接帶隙縮小至0.5eV內，112-Mn1的Γ點的直接帶隙從純態(tài)的0.19eV變小為約0.05eV，112?Mn2仍然為0.19eV左右。Mn的費米面形狀等的變化程度小于Zn，Mn的軌道對總態(tài)密度的貢獻大于Zn的軌道。同時注意到摻雜在不

6、同等效位上的變化不同，尤其在摻雜非磁性元素時，不同位置上的能帶圖相差較大。
　　結果表明加入非磁性元素鋅后所引起能帶圖上費米面附近的變化明顯大于磁性元素錳，態(tài)密度圖和費米面進一步支持這一結論。通過第四章、第五章中對比本次計算的對比與分析，可以發(fā)現(xiàn)摻入非磁性元素對母體K2Cr3As3電子結構的影響大于磁性摻雜，符合在非常規(guī)超導體中加入非磁性元素的一般規(guī)律，故計算結果支持K2Cr3As3鉻基超導為非常規(guī)超導體的假設。
　　其次，

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