（凝聚态物理专业论文）新超导体的第一性原理计算研究.pdf

f i r 的 其 的 已 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 摘要 目录 。i a b s t r a c t 。 第一章绪论 1 1 1 研究背景1 1 1 1 铁基新超导材料l a o f e 舢系列的实验研究背景1 1 1 2 铁基氟化物新超导材料s r f e a s f 系列的实验研究背景。5 1 1 3 铁基超导材料的理论研究背景7 1 1 4p 型烧绿石氧化物超导体系列介绍1o 1 2 论文工作1 4 。 1 2 1s r f e l d c o 。缸f ( x = o ，0 1 2 5 ) 的结构、磁性和涨落研究1 4 1 2 2a o s 2 0 6 ( a = l ( r b ，c s ) 的电子关联性和电声子耦合性16 1 2 3k o s 2 0 6 和r b o s 2 0 6 的结构和超导电性研究1 6 1 3w l e n 2 k 和q u a n t u me s p r e s s o 程序包介绍1 7 参考文献19 第二章钴掺杂铁基超导体s r f e l i c o i a s f ( x = 0 ，o 1 2 5 ) 2 2 2 1 引言j 。2 2 2 2 模型和计算方法3 2 2 3 结果和讨论：一3 5 2 3 1s r f e l - i c o i a s f ( x = o ，o 1 2 5 ) 的结构相变与磁性3 5 2 3 2s r f e l i c o 。a s f ( x = o ，o 1 2 5 ) 的电子能带结构3 9 2 3 3f e3 d 轨道电子结构和费米面4 0 2 3 4f e 缸平面层电荷密度分布4 4 2 3 5s r f e l i c o i 缸f ( x = o ，o 1 2 5 ) 的反铁磁序和磁涨落4 5 2 4 结论4 7 参考文献4 9 第三章a o s 2 0 6 ( a - k ，r b ，c s ) 的电子关联性和电声子耦合 3 1 引言5 2 3 1 1p 型烧绿石晶体结构特点与磁阻挫5 2 3 1 2 对p 型烧绿石结构氧化物超导体研究的实验基础5 5 3 2 计算模型5 8 3 3 全势线性缀加平面波计算( 、7 i ，i e n 2 k 程序包) 5 9 3 4 a o s 2 0 6 ( _ a _ k ，r b ，c s ) 的计算结果和讨论6 0 3 4 1a o s 2 0 6 的电子能带结构6 0 3 4 2g g a + s o c + u 计算6 3 3 4 3a o s 2 0 6 的电子关联性和电声子耦合性6 6 3 5 结论6 7 参考文献6 9 第四章k o s 2 0 6 和r b o s 2 0 6 的晶格软化和超导电性 7 l 4 1 引言7 1 4 2k o s 2 0 6 晶体结构稳定性讨论7 6 4 3 平面波赝势方法的q u a n t u me s p i 砸s s o 程序包7 8 4 4k o s 2 0 6 和r b o s 2 0 6 的超导电性7 8 4 4 1k o s 2 0 6 和r b o s 2 0 6 的结构稳定性7 8 4 4 2k o s 2 0 6 和r b o s 2 0 6 的r 点声子谱计算8 0 4 5 计算结果和超导电性讨论8 3 参考文献8 4 致谢 博士期间发表和完成论文情况 8 5 跖 摘要 摘要 本文采用基于全势线性缀加平面波方法的w i e n 2 k 程序包和基于平面波赝 势方法的q u a n t u me s p l 垣s s o 程序包计算了两种不同结构新超导体的电子能 带结构和声子谱：铁基超导体s r f e o 8 7 5 c o o 1 2 5 a s f 和d 型烧绿石结构氧化物超导 体a o s 2 0 6 ( a = k ，i ，c s ) 。研究了它们的结构、磁性和超导电性。主要包括以下 三个方面的内容： 1 采用双胞模型对铁基氟化物s r f e a s f 及其c o 掺杂超导体s r f e o 8 7 5 c o o 1 2 5 a s f ( t c = 4k ) 的晶体结构进行了全方位的优化，并定量计算了最近邻和次近邻f e 原 子之间的反铁磁( a f m ) 超交换耦合常数j l 和j 2 的大小。得到的创新结果如下：( 1 ) s r f e a s f 的基态为条纹型反铁磁( a f 2 ) 态，并伴随着明显的四方到正交的结构相 变。c o 掺杂后压制了结构相变。( 2 ) 计算得到的这两种材料j l 2 j 2 的值分别为0 4 6 和0 9 4 ( 1 ) ，以上结果表明：在s r f e a s f 中j 2 足够强( j l 2 j 2 1 ，条纹型反铁磁序( a f 2 ) 为稳定结构；如果 j 1 2 j 2 1 ，棋盘型反铁磁序( a f l ) 为稳定结构。这些结果成功地解释了中子散射实 验观测到的在l a f e 触o 系统中存在的磁和结构相变。在掺杂的l a f e a ；o 系统中 存在强的反铁磁交换互作用和超导可能有相互耦合关系，这与高温铜氧化物非常 相似。向涛等用第一性原理方法对l a f e a s o 的电子特性和磁特性的研究【3 1 】表明 最近邻和次近邻铁原子通过砷原子的交换互作用相互竞争，并提出反铁磁涨落对 铁基超导体的超导电性起到了重要作用。 由于铜氧化物超导体和最近发现的铁砷氧化物超导体具有复杂的晶格结构， 都包含过渡金属元素，因此过渡金属元素中3 d 轨道电子的性质对它们的磁性和 超导电性具有决定性的影响。在对以上有复杂晶格结构超导体的理论研究上存在 很大的困难，因此用第一性原理方法通过计算过渡金属元素中3 d 轨道电子的性 质来研究以上材料的磁性，讨论其和超导电性的关系是我们工作的主要目的。本 文在双胞模型下通过对母体s r f 如f 及其c o 掺杂超导体s r f e o 8 7 5 c 0 0 1 2 5 舳f 的结 构、磁性及稳定性方面进行第一性原理数值计算和理论分析，为理解铁基化合物 高温超导机理提供信息。 9 东南大学博士学位论文 1 1 4p 型烧绿石氧化物超导体系列介绍 2 0 0 1 年以前，烧绿石结构的氧化物材料由于其几何阻挫引起的磁阻挫特性 曾被详细报导，但从未发现它具有超导现象。并且大多数的烧绿石结构氧化物包 含5 d 过渡金属元素，如r e ，o s ，i r 等，都是坏的金属。2 0 0 1 年h a l l a w a 等人 发现了超导转变温度为1k 的烧绿石结构氧化物超导体c d 2 r e 2 0 7 【3 4 1 。2 0 0 4 年， y o n e z a w a 等人通过电阻和磁化率测量首先发现了超导转变温度为9 6k 的锇氧 化物超导体k o s 2 0 6 【3 5 1 ，随之又发现了与k o s 2 0 6 同构的r b o s 2 0 6 【3 6 】和 c s o s 2 0 6 【3 7 】，其超导转变温度分别为6 3k 和3 3k ，由此揭开了研究烧绿石结构 氧化物超导体的序幕。 图1 - 1 0 ( a ) c d 2 r e 2 0 7 ( a 型烧绿石) 的晶体结构，其中大、中、小球分别代表c d 、r e 和o 原子( b ) k o s 2 0 6 ( p 型烧绿石) 的晶体结构，其中大、中、小球分别代表k 、o s 和。原子 图1 1 0 为c d 2 r e 2 0 7 ( 0 【型烧绿石) 和k o s 2 0 6 ( d 型烧绿石) 的晶体结构。从图中 可以看出烧绿石氧化物超导体的结构与其他的新超导体不同，不具有层状特性， 为三维结构的超导体。传统的烧绿石氧化物，或者称之为a 型烧绿石氧化物，分 子式为a 2 8 2 0 7 ，由于其中包含两种不等效的氧原子，因此也可以写为a 2 8 2 0 6 07 ， 其中b 为过渡金属原子。a 位于1 6 d ( o 5 ，0 5 ，o 5 ) 位置，b 位于1 6 c ( 0 ，0 ，o ) 位置， o 位于4 8 f ( x ，0 1 2 5 ，o 1 2 5 ) 位置，o7 位于8 b ( o 3 7 5 ，0 3 7 5 ，0 3 7 5 ) 位置。p 型烧绿 石结构是由a 型烧绿石结构中的a 原子位置形成空位，碱金属原子k ，r b ，c s 占 据o 位置形成的。 l o 第一章绪论 仅p y r o c h l o 陀：ab 。o ；i 芦。p y r o c h i o r e ： 8 2 ( 图1 1 1a 型和b 型烧绿石氧化物沿【1 1 0 】方向的结构。其中b 型烧绿石氧化物口2 8 2 0 a ( b = o s ； a i - kr b ，c s ) 为a 型烧绿石结构的衍生形式 图1 1 1 表示a 型和b 型烧绿石氧化物沿【1 1 0 】方向的结丰勾【3 踟。其中b 型烧 绿石氧化物口2 8 2 0 ( b = o s ；a l = kr b ，c s ) 为a 型烧绿石结构的衍生形式。从图 中我们可以清楚地看到在b 型烧绿石结构中，a 原子位置形成空位口2 ，形成的 空位使得碱金属原子与周围原子失配，占据了较大的自由空间。正是由于b 型烧 绿石氧化物结构中原子失配才导致了很多奇特的物理现象，从而引起了科学工作 者对该种氧化物超导体的实验和理论研究兴趣。 1 。8 。孑1 6 o1 4 1 2 k r b c s 8 o 6 o 连 。 皤 4 o8 p 2 o 图1 1 2a o s 2 0 6 ( a = l ( r b ，c s ) 三种b 型烧绿石氧化物超导体中碱金属离子半径、位移参数 u 洳及碱金属离子中心距氧原子的距离d 。 东南大学博士学位论文 图1 - 1 2 表示a o s 2 0 6 ( a = k ，r b ，c s ) 三种p 型烧绿石氧化物超导体的结构 参数3 9 】：碱金属离子半径么、位移参数u 加及距氧原子的距离d 从kj r 6jo 的变化关系。从图中我们可以得出碱金属离子周围的自由空间( d 一乙) 随碱金属 离子半径的减小而增大。k o s 2 0 6 具有较大的位移参数u 孟和自由空间( d 一_ ) ， 且超导转变温度最高，表明碱金属离子在自由空间中的某种行为对超导电性有较 大的影响。 冷? 椤扣 9 9 图1 1 3 几何阻挫图形：( a ) 等边三角形，( b ) 四面体，( c ) 正方形，最近邻互作用远远大 于次近邻互作用，( d ) 正方形，次近邻互作用远远大于最近邻互作用，( e ) 正方形，最近邻 互作用与次近邻互作用相当。 图1 1 4 烧绿石结构中过渡金属形成的共角四面体 1 2 h 目 第一章绪论 对烧绿