电子掺杂砷烯的超导性质研究

发布时间：2020-07-06 23:56

【摘要】：低维材料相较于普通材料,具有独特的物理、化学性质,一直受到人们的密切关注。研究低维材料中的超导性质对于理解超导现象,研究超导机理有重要的作用。二维材料的研究肇始于石墨烯的成功制备。与其同族的硅烯、锗烯等二维材料也陆续被制备研究。硼烯由于其缺电子性质呈现出丰富的结构类型,包括了一系列的不同配位类型的硼烯。磷烯由于其合适的带隙,良好的迁移率一经发现就受到人们的广泛关注。砷烯做为与磷烯同族的二维材料,不同于活泼的磷烯,在实验上可以稳定存在。同时,砷烯与石墨烯相比又具有较为合适的带隙。因而,研究砷烯的性质对于理解二维材料的性质,二维材料的应用有一定的意义。另一方面,如何在性能优异二维材料中引入超导电性一直是人们的追寻目标。而基于电声调制的BCS理论是目前较为成熟的理论体系。其理论核心是实现自旋相反、动量相反的两个电子配对从而形成库珀对。基于此理论,费米面处的态密度和电声耦合是影响材料超导性质的两个重要因素。而载流子浓度和应力的大小会改变这两个因素。因而通过调控载流子浓度和应力方法不失为调节材料超导性质的两个手段。在实际材料制备中,基底与材料间的电荷转移和相互作用一定意义上也可以实现这两种途径。通过这两种方法,Li原子插层的石墨烯在实验上观测到7.1 K的超导转变温度。而空穴掺杂的硼烯在应力条件下的超导转变温度理论预测可以达到24.7 K,但与制备基底间的相互作用使得其转变温度被压制,在实验上尚未观测到如此高的转变温度。可以看到,载流子浓度和应力大小对材料超导性质的影响是不确定的。我们希望通过载流子浓度与应力手段在砷烯中引入超导性质,并观测两种手段对砷烯超导性质的影响,进而对实验可以有一定的指导作用。密度泛函理论是发展的计算材料性质的成熟而优秀的理论,其核心是用仅含有三个自由度的电子态密度而不是3N个自由度的电子波函数来描述相互作用费米子系统,这大大简化了计算过程。Kohn-Sham理论将多体相互作用项包含进交换关联项中,从而可以用有效势场下的无相互作用电子体系代替求解的N电子互作用系统,得到Kohn-Sham自洽方程。通过求解这些方程即可求得到想要的物理量。密度泛函微扰理论通过求解电荷密度与晶格畸变之间的线性响应进而求解久期方程而得到声子的大小。更进一步地,可以通过ELiashberg理论,来求解电声耦合中的各种量,进而衡量材料的超导性质。为了研究砷烯的超导性质,我们通过密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了电子掺杂砷烯的电子、声子性质。发现电子掺杂的砷烯会变成电声调制的超导体。分析电声耦合性质可以看到,对超导起主要贡献的声子是K点的A_1声子模式,而起主要贡献的电子为砷原子的p_z电子轨道。同时,计算表明,在不施加应力条件下,掺杂浓度为每元胞0.1个电子时,超导转变温度就可以达到液氦温度4.7 K以上。当掺杂浓度为每元胞0.2个电子,并施加双轴拉伸应力为12%时,超导转变温度可以提高到30 K左右。由于相对较小的电子掺杂浓度和容易实现的应力条件,且作为砷烯机械剥离前驱物的灰砷为稳定的砷同素异形体,因此可以推测此电声超导体容易在实验上得到实现。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O613.63

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