稀土三碲化物RTe3(R=La,Nd,Dy)电荷密度波的理论研究

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稀土三碲化合物(RTe3)是一种具有层状结构的准二维材料,由于其表现出丰富的电荷密度波、磁性以及高的载流子迁移率而受到广泛的关注。近年来的研究发现,RTe3的电荷密度波的波矢及转变温度随着稀土 R的不同而发生变化,且通过外加高压、光场等可以调控其电荷密度波。但目前RTe3体系的电荷密度波与晶体结构的关联性、以及对其低维材料的电荷密度波的调控方法都还不完全清楚。因此,有必要从微观上澄清RTe3电荷密度波的物理起源,以及探索有效调控电荷密度波的方法并弄清其机理。针对上述科学问题,本文采用第一性原理计算系统研究了三个典型的RTe3(R=La,Nd,Dy)材料的晶体结构、电子结构、声子谱以及电声子耦合等性质。通过分析电子结构的演变、费米面嵌套、声子谱以及相应的电声耦合性质,我们得到了稀土 R离子半径大小对其能带结构的影响规律,发现了强的电声子耦合作用是其电荷密度波形成的主要原因,同时也发现应力是调控低维化材料电荷密度波有效的方法。本论文中具体的研究内容和结果如下:本文首先对一系列RTe3材料的晶体结构和电子结构进行了系统的研究。研究表明,随着R原子序数的增大,体系的晶格常数随之减小,进而也会对体系的电子结构产生影响。随着R原子序数的增大,其带宽增加,R-5d轨道在费米能级处的态密度呈现增加趋势,而Te-5p轨道的权重则出现减小。研究还表明,只存在弱的费米面嵌套,且嵌套的波矢并不对应于电荷密度波的波矢。因此可排除费米面嵌套作为电荷密度波起源的机制。本文进一步研究了RTe3(R=La,Nd,Dy)的声子谱和电声子耦合,研究发现LaTe3和NdTe3具有波矢QCDW≈2/7c*的单向电荷密度波是最稳定的态。而对于DyTe3,两个波矢QCDW≈2/7c*和QCDW≈2/7a*处都存在强的声子软模和电声子耦合作用。这与实验观察到的LaTe3和NdTe3具有单轴电荷密度波以及DyTe3具有双轴电荷密度波特征是吻合的。本文的研究结果表明,动量相关的电声子耦合效应在RTe3电荷密度波形成中起着重要作用。最后,本文还研究了应力对单层LaTe3电荷密度波的调控规律和机理。研究发现,拉伸应力可以有效增强单层LaTe5中的电荷密度波,而压缩应力则可以抑制电荷密度波。在4%的压缩应力下,可以完全破坏电荷密度波,同时可能诱导出超导电性。应力可直接影响材料的晶格,从而可以使其声子软模进一步软化或者硬化,从而可以有效地调控其电荷密度波。本论文系统地研究了 RTe3(R=La,Nd,Dy)体系的电荷密度波和结构的关联性,发现了强的电声子耦合作用是电荷密度波形成的主导因素,同时也提出了应力可能是调控其低维材料的电荷密度波有效的手段。通过本论文的研究,有助于更深入地揭示出稀土三碲化物RTe3材料电荷密度波的微观物理起源,也有助于指导未来RTe3应用于基于电荷密度波的可控的低维电子器件中。
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