铁基超导体的晶体化学以及第一性原理计算并辅助探索新型超导材料

发布时间：2017-03-31 00:02

  本文关键词：铁基超导体的晶体化学以及第一性原理计算并辅助探索新型超导材料，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：材料预测最开始被认为是“不可能实现”。到目前为至,该领域已经发展出了多种理论来优化稳定结构的寻找。我们同样基于第一性原理准确的总能计算,提出了形成能方法来辅助新结构的探索。在这个过程中,我们从零开始成功搭建了第一性原理计算平台,并在此基础上完成了一系列新材料的电子结构计算。这些信息帮助了我们对这些新材料物性方面的理解。我们设计了多个体系下的一系列新结构,并研究了这些结构的形成能。结合大量的已有文献及实验,我们最终得出了如下结论：1)已有材料的形成能一般为负值或者极其接近零；2)形成能为正值的结构一般很难成相；3)但是形成能为负值的新结构也不一定能成相。在这些结论的帮助下,可以节省部分人力物力,也为提高探索新材料的效率打下了一定基础。我们总结了铁基超导体在结构及晶体化学上的特点。在此基础上设计了一批潜在的新型超导结构。在对这些新结构进行形成能评估后,对其中的部分新结构进行合成。我们成功合成出Sr2Cr3AS2O2,并对其物性进行测量,并进行了相应的第一性原理计算。同时对我们组近几年发现的新材料进行了及时的第一性原理计算。这部分工作包括：1)计算了Ba2Ti2Fe2As4O的能带结构,并利用Wannier90得到了其费米面。我们详细对比了Ba2Ti2Fe2As4O、BaFe2As2、BaFe2As2O三个材料的电子结构。在通过费米面计算其电子占据后,我们发现这个材料确实存在电子转移。另外我们的研究结果表明Ti2As2O层可能存在弱的Neel反铁磁,这个材料的弱反铁磁与超导共存值得进一步研究。2)利用GGSA+U,我们研究了EuBiS2F的在加U后的电子结构,我们发现不同的U对最高占据态的导带影响很少。费米能级处的电子绝大部分来于Eu-4f电子,同时形成了二维性很强的三套费米面。我们计算得到的态密度显示,费米能级处的电子态密度非常高,大约是类似体系的20倍。这很好的解释了电子比热系数和Pauli磁化率的加强。3)我们研究了准一维超导体K2Cr3As3的电子结构。其基态是顺磁,且有比较大的铁磁涨落。费米能级附近,Cr-3dz2、3dxy和3dx2-y2轨道是最主要的电子态,它们形成了一个3D的费米面和二个准1D的费米面。费米能级处的电子态密度比实验值少1/3。在3D和其中一个准1D费米上的反对称性自旋轨道耦合劈裂是可观的(60 meV)。综合考虑后,最后我们认为该材料中高HC2源于自旋三重配对机制的可能性比较大。
【关键词】：第一性原理计算 结构设计 形成能 结构预测
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O511.3
【目录】：

• 致谢6-7
• 摘要7-8
• Abstract8-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 第一性原理简介11-12
• 1.2 计算平台的搭建12-14
• 1.3 形成能的定义及总能数据的处理14
• 1.4 计算辅助新材料合成的现状与难点14-17
• 1.5 本章小结17-18
• 2 结构设计与形成能研究18-40
• 2.1 铁基超导体的晶体化学与结构设计18-33
• 2.2 形成能辅助新材料设计探索33-40
• 3 相关新材料的第一性原理计算40-52
• 3.1 铁基超导材料Ba_2Ti_2Fe_2As_4O的自参杂效应与Ti层中可能存在的反铁磁40-45
• 3.2 EuFS_2Bi的GGSA+U研究45-46
• 3.3 准一维超导体K_2Cr_3As_3的电子结构46-52
• 4 Sr_2Cr_3As2O_2的物性和电子结构52-66
• 4.1 Sr_2Cr_3As2O_2的合成52-53
• 4.2 结果与讨论53-65
• 4.3 本章小结65-66
• 参考文献66-80
• 在学期间的研究成果及发表的论文80-81

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