金属硫族化合物的高压相变及电子结构的第一性原理研究

发布时间：2020-10-20 13:23

　　 过渡金属二硫族化合物是一类新型的准二维材料,这类材料具有可调制的电学、光学性质、良好的化学稳定性和机械柔韧性等特点,因而在二维电子器件、储能材料、催化剂等领域具有广阔的应用前景。另一方面,高压技术是调制材料的晶体结构与电子态的有效手段,被广泛应用于凝聚态物理领域。在本论文中,我们以三种典型的层状金属硫族化合物为例,基于密度泛函理论,研究了层状材料在高压下的晶体结构相变与相关电子结构性质。首先,基于第一性原理计算与晶体结构搜索技术,我们预言了 WTe2在高压下的两种热力学稳定结构,晶型为1T'和2H,对应的热力学稳定压力区间分别为5～10 GPa和10～30 GPa。高压同步辐射XRD实验确认了 1T'-WTe2相的存在,对应的相变临界压力约为4 GPa。1T'结构具有空间反演对称性,因此在常压Td相变为1T'相的过程中伴随着一个电子拓扑相变,由Weyl半金属态变为普通半金属态。电声耦合计算表明,WTe2在高压下的超导相变可能与层间Te-Te原子耦合作用增强导致声子软化有关。同步辐射XRD实验中并没有观察到2H相,相变路径的计算表明这是因为1T'与2H相之间存在较大的相变势垒。紧接着,我们讨论了一种鲁棒的拓扑Weyl半金属态,这种Weyl半金属态受C2T对称性保护,可以在空间反演对称性破缺的非磁材料中实现。如果不考虑自旋轨道耦合,那么这种半金属态包含的Weyl点将携带两个单位的手征荷;在考虑自旋轨道耦合的情况下,这些Weyl点将劈裂为两个手征荷相同的自旋1/2 Weyl点。我们预言了一种原型实际材料——TiS2的高压相(空间群为P-62m),能够实现上述的Weyl半金属态。在TiS2体系中,相反手征的Weyl点距离很远(远远超过TaAs和MoTe2),因而这种Weyl半金属态具有鲁棒性。最后,我们讨论了著名的热电材料SnSe在高压下的物理性质的演变。前人的研究表明SnSe在高压下(～10 GPa)会发生连续的晶体结构相变,由常压α结构变为高压β结构。基于第一性原理计算与高压同步辐射XRD,我们发现SnSe在更高压力下(～27 GPa)会由β结构转变为CsCl结构。高压电输运实验表明,CsCl型SnSe存在超导电性,超导临界温度最大值约3.2 K(～39GPa)。此外,电子能带计算表明,CsCl型SnSe可能是一种拓扑节点线半金属,存在拓扑非平庸的表面态。另外,我们还在TaAs,TiS3,LaRu2P2,SrFe2As2等多个相关体系中系统地研究了由压力诱导的结构和超导相变,并得到了一系列有趣的结果。我们的研究表明,高压能有效诱导晶体结构相变与电子结构相变,是合成新材料、实现新奇电子态的重要手段。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O469
【部分图文】：

而低于３０?Ｋ的则称作低温超导体。在１９８６年之前，最高尺记录是Ａ１５化合??物Ｎｂ３Ｇｅ的２３Ｋ［１１］，在当时看来，自１９１１年超导现象被发现以来，７；的最??高记录每１０年才增长３?Ｋ左右。超导临界温度尺的发展历程见图１－１。曾有??一种观点认为，超导温度受限于电声耦合强度，过强的耦合可能导致晶格失??稳，而３０?Ｋ是超导临界温度的上限。当然这种观念被后来发现的铜氧化物超??导体所证伪，但是以３０Ｋ为分界线却被保留了下来。铜氧化物超导体家族的大??部分成员的临界温度尺均高于液氮沸点７７Ｋ，例如，Ｙ系（ｒｃ？９０Ｋ）ｔ１２ｌ、Ｂｉ??系（ｒｃ？１１０Ｋ）［１３］、Ｔ１?系（ｒｃ？１２５Ｋ）［１４］、Ｈｇ?系（７；？１２４Ｋ）［１５丨。直到?２００８?年铁??

：几种不同对称性的能隙函数Ａ（ｋ）的在（Ｈ．）平面的等高线示意图。各子图ｓ波，（ｂ）心＿ｖ：波，㈦‘波，（ｄ）扩展的波。图中的浅色和深色区域分别对正和为负，而红线表示能隙为零的位置。图片取自文献｜４５】。??波，能隙闭合的节点线沿着（；ｒ，；ｒ）方向。尤：—波型和尤＾波型的能?１－３（ｂ）和（ｃ）。??虽然人们很早就在中观察到了?Ｐ波配对机制的超流态［４６Ｖ，但是制的超导体，由于缺乏决定性的证据至今尚不能确定是否存在。目料被认为很可能是Ｐ波超导体，比如Ｓｒ２ＲＵ〇４ｌ？，但仍然存在争议［目前制约超导材料走向应用的最大瓶颈在于制冷。对于低温超导体而多徘徊在液氦温区附近，维持低温的成本自不必说；而对于ｒ（．高于的高温铜氧化物超导体，由于其母相是Ｍｏｔｔ绝缘体，费米能级附近电常低，其超导态难以承载大的电流，因而限制了这种材料的应用于超导的研究主要有以下两个方向：??找具有更多的具有高临界温度７；超导体；??一

无法通过绝热变形消除。偶数等价类ｖ?＝?０，对应拓扑平庸态，此时系统的边界??态不受拓扑保护，即使出现在费米能级附近，也可以通过绝热变形将之移至价??带或者导带内部。偶数和奇数等价类的表面态见图１－６。Ｑｉ等人也做出了类似??的工作＠１。随后不久，ＱＳＨＥ被理论预言可以利用ＨｇＴｅ量子阱结构来实现并??
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本文编号：2848736