几种典型材料的超导电性研究

• 作 者: 闫岩
• 机 构: 长春理工大学
• 出 处: 长春理工大学
• 发表日期: 2010年01期
• 关键词: 高压 晶体结构 晶格动力学 超导电性 第一性原理

本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对几种当前研究的热点材料在高压下的电子行为,晶格动力学以及超导电性进行了深入系统地研究。研究结果表明,以下三种体系都是潜在的高温超导体,具有较高的超导转变温度Tc。本文获得了如下创新性成果：（1）“单原子相”金属氢：氢是元素周期表中的第一号元素,它具有比任何元素都简单的电子结构。迄今为止,氢是太阳系中含有的最为丰富的元素,同时在氢分子中也包含有最简单的共价化学键。然而,人们对有关氢体系的情况却知之甚少。直至1935年,Wigner和Huntingdon两人首次提出氢在高压下将发生金属-绝缘体转变的经典预言以来,有关金属氢的研究就成为了高压领域的一个极其重要的研究方向,其中有关其超导电性的研究更是成为研究的热点。本文中我们研究了近来超高压下获得广大科研工作者认同的固体氢的最终结构——“单原子相”金属氢（I41/amd结构）,在高压条件下我们计算了“单原子相”金属氢的晶格动力学,发现压强达到802 GPa时结构还是稳定存在的。因此,根据传统的BCS理论,我们计算了体系的电子-声子相互作用,结果表明其超导转变温度在102K的量级以上,成为潜在的室温超导体,同时,我们还合理地解释了其超导机制。（2）富氢化合物——硅烷（SiH4）：对实验发现的金属相SiH4进行了晶格动力学研究,结果发现其声子谱存在虚频,意味着这个结构的晶格动力学不稳定。这可能是由于在位X-射线衍射实验难以准确定位结构中氢原子的结构信息。随后,通过软膜相变理论方法预测了一个新的高压相（空间群：Pbcn）,并揭示了其产生的物理机制和可能的相变路径。通过分析发现,预测的新结构中的硅原子占位与实验上给出的结构中硅原子占位相同,仅仅是氢原子的占位发生了改变。最后,对所获得的新结构进行全面的物性研究,发现其为金属,且具有较高的超导转变温度Tc,当压强为188 GPa时,其值达到16.5 K,这与实验测量的结果（17.5 K）非常接近。（3）p型掺杂金刚石薄膜：自从实验上发现硼掺杂金刚石具有超导电性（2.3-4 K）以来,其为超导和超硬两个科学研究领域提供了一个全新的交叉点,引起了大量科学工作者的广泛关注。随后,人们又从实验和理论上发现硼掺杂金刚石（100）和（111）薄膜具有更高的超导转变温度,其中硼掺杂金刚石（111）薄膜的超导转变温度更高,但有关其超导机制却一直未能给出明确的解释。基于此原因,本文采用虚晶近似的方法成功地模拟了不同硼掺杂浓度下金刚石（100）和（111）薄膜的电子、声子以及电子-声子耦合行为,合理地解释了金刚石（100）和（111）薄膜的超导机制,并近似地给出了不同硼掺杂浓度下体系的超导转变温度Tc值。