铁基超导材料的第一性原理研究

论文摘要

随着计算方法和计算机技术的飞速发展,计算物理在物理研究中占据越来越重要的地位。其中,密度泛函理论方法因其计算量适中、计算精度较高,成为计算物理领域中最重要的理论方法之一。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包BSTATE（Beijing Simulational Tool for Atom Technology）对三类超导母体材料进行了详细的研究。过渡金属氧化物一直是科学研究的热点,特别是高温超导和巨磁阻材料的发现促使人们认识到它潜在的应用价值和对基础科学的理论价值。过渡金属氧化物的共同特性是价电子（3d,4d）比较局域,电子之间的关联效应比较重要。本论文研究了这一体系材料的电子结构、各种磁性态、轨道有序等问题,具体工作包含:1.通过第一性原理计算研究了LaOMnSe的结构、电子性质和磁性质。我们发现LaOMnSe的能带结构、费米面和LaOFeAs的非常相似,在Γ点附近存在三个类空穴费米面,在M点附近有两个类电子费米面。如果将类空穴费米面平移（π,π,0）将会和类电子费米面在很大程度上重叠,这种费米面嵌套将会导致磁不稳定性和自旋密度波（SDW）,这和LaOFeAs的性质很相似。正是因为它的结构和LaOFeAs很相似,所以LaOMnSe有望通过电子掺杂或空穴掺杂成为超导体。2.利用第一性原理计算研究了超导母体材料SrFe2As2中用Ru原子替代Fe原子引起的自旋密度波压制。尽管Ru和Fe有相同的价电子结构,但是因为Ru的4d能带比Fe的3d能带更扩展,所以这种替代仍然能很明显的改变体系的能带、费米面等电子结构信息。通过第一性原理计算,我们发现在0.0≤x≤2.0的掺杂区域,材料的磁性相图可以分为3个区域:（I）条纹状反铁磁态（0.0≤x≤0.6）;（II）低自旋态（0.6≤x≤1.0）;（III）非磁性态（1.0≤x≤2.0）。我们的理论计算结果不仅和实验结果非常完美的符合,同时能很好的解释随着Ru原子替代Fe原子,样品的自旋密度波被压制,超导开始出现。3.通过第一性原理计算研究了Sr2CuMn2As2O2和Sr2CuFe2As2O2的电子结构。这两种化合物均拥有体心晶体结构,它们有CuO2层面,类似于那些拥有高超导转变温度的铜酸盐,金属间层状化合物MAs（M=Mn,Fe）类似于FeAs层有高温超导转变温度的磷酸盐化合物。它们有两种类型的超导层,如此特殊的结构使得它们成为很有趣的超导母体材料候选者。我们的计算表明费米能级在从-2.0eV到2.0eV的范围内,体系的态密度主要来自Mn或者Fe的3d态,此时Cu的3d态远离费米能级,它的能级范围为-3.0eV到-1.0eV。这样的结果和Cu基超导材料显著不同,就像La2CuO4一样,体系的态密度主要有Cu的3d态来决定。除此之外,我们发现在平均场近似下,Cu格子基态是棋盘状反铁磁态,Fe或Mn格子基态是条纹状反铁磁态。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 过渡金属氧化物的几个重要方向
• 1.1.1 高温超导
• 1.1.2 巨磁阻材料
• 1.1.3 金属绝缘体转变
• 1.2 d 电子能级在晶体场的劈裂
• 1.2.1 八面体配位场
• 1.2.2 四面体配位场
• 1.2.3 平面正方形配位场
• 第二章 研究的基本理论方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 绝热近似
• 2.1.2 Hohenberg? Kohn 定理
• 2.1.3 Kohn-Sham 方程
• 2.1.4 局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）
• 2.2 赝势方法
• 2.2.1 赝势的导出与基本性质
• 2.2.2 模守恒赝势与超软赝势
• 2.3 BSTATE 程序
• 第三章 LaOMnSe 的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法和计算细节
• 3.3 计算结果和讨论
• 2-xRu_xAs₂中Ru 取代Fe 引起的超导性'>第四章 SrFe_2-xRu_xAs₂中Ru 取代Fe 引起的超导性
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和细节
• 4.3 计算结果和讨论
• 4.3.1 条纹状AFM 态（0.0≤x ≤0.6 ）
• 4.3.2 低自旋态（0.6≤x ≤1.0 ）
• 4.3.3 NM 态（1.0≤x ≤2.0 ）
• 4.4 总结
• 2CuM₂As₂0₂（M=Mn, Fe）'>第五章 潜在的超导体母体化合物：Sr₂CuM₂As₂0₂（M=Mn, Fe）
• 5.1 引言
• 5.2 方法和细节
• 5.3 结果和讨论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果