NbS2中结构相变和物性变化的第一性原理研究

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过渡金属二硫族化合物由于其独特的结构与丰富的物理性质受到广泛关注。其中,第五族的过渡金属二硫族化合物的电荷密度波和超导性质一直是近几十年研究的热点课题。然而,到目前为止,电荷密度波理论仍然发展的不够健全,电荷密度波与超导性质的竞争或者共存关系在科学界引起了激烈的讨论。借助第一性原理计算模拟,我们首先对过渡金属二硫族化合物NbS2的高压结构相变进行了探索,然后对1T相NbS2的电荷密度波和超导电性的竞争进行了仔细研究,最后探讨了堆积效应对NbS2的电荷密度波相的电子结构和磁性的影响。论文主要由以下三个工作构成:(1)研究了层状过渡金属二硫族化合物NbS2的晶体结构、电子结构和结构稳定性,并进一步揭示了范德瓦尔斯(vd W)力的关键作用。理论计算结果表明,vd W校正对精确模拟层状晶体结构的性质具有重要意义,对正确描述NbS2的电子结构具有重要作用。在静水压力或ab平面内的拉伸应变作用下,I4/mmm相发生由二维层状结构向三维结构的同构相变。这一异常的结构相变与电子结构不稳定性和层间成键作用密切相关,具体来说是由于层间Nb-S距离坍塌,层间vd W相互作用消失,新的共价键出现,配位数增加。本研究强调了vd W相互作用的重要性,并对NbS2中的非常规结构相变提供了新的见解。(2)理论预测了1T相NbS2中的电荷密度波(CDW)不稳定性和压力诱导的超导电性。揭示了CDW不稳定性倾向于形成一个稳定的公度CDW序,形成一个具有大卫星特性的√13×√13超结构。CDW相具有面内平带特性的一维金属行为,并且与由Nb原子的4(92-2轨道贡献的轨道密度波序共存。在同时考虑了层间反铁磁序和库仑关联效应的情况下,通过将相应的CDW相沿层堆积方向加倍,可以实现CDW相的金属-绝缘体转变。电子磁化率、声子线宽和电声耦合计算表明,CDW不稳定性是由强的电声耦合作用导致的声子模软化所驱动的。压力可以抑制CDW序,并且伴随着超导电性的出现。我们的理论预测需要实验研究来进一步阐明1T-NbS2的输运性质和磁性性质。此外,探索在体相1T-NbS2中实现CDW序与超导电性共存的可能性也是非常有意思。(3)探索了1T-NbS2体相CDW相的堆积效应,研究了金属-绝缘体转变和绝缘相的起源。由于派尔斯二聚作用,发现了一种具有天然能量有利的能带绝缘态。电子结构计算结果表明派尔斯二聚化与电子关联之间存在竞争关系,揭示了传统堆积中二聚化的自动缺失。考虑到库仑关联与自旋极化的关系,给出了1T-NbS2的相图来描述能带绝缘相或Mott绝缘相的起源。此外,研究发现层间磁耦合强度与晶体堆叠结构密切相关,中心Nb原子是理解不同堆积方式的CDW相磁性行为的关键。这一工作强调了层间电子排序的重要作用,并对1T-NbS2的CDW相绝缘行为的起源有了新的认识。
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