碳氟化合物的第一性原理研究

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自1911年超导现象被发现以来,超导电性一直是物理和材料领域的研究热点。之前大量的理论和实验研究发现通过掺杂调控的方法可以得到超导体,有人预测空穴掺杂后的石墨烷可转变为一种传统超导体,并具有高于液氮沸点的超导转变温度。此外,高压是研究结构相变的一种重要手段,压力可以使物质出现新的物理化学现象以及形成新的结构。探索不同结构的新材料是目前理论计算的一大热点。本文基于第一性原理方法对碳氟化合物的晶体结构及电子性质进行研究,其主要内容如下:我们以氟化石墨烯为研究对象,利用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理软件,结合虚晶近似方法(virtual crystal approximation)研究了6%、8%、10%空穴浓度掺杂的C6F6的超导电性。本征C6F6为绝缘体,空穴的掺杂会使其费米面向下移动,使得费米能级处的电子态密度(EDOS)增大。掺杂浓度的增加会引起电声耦合参数λ的增大,根据修正的McMillan方程的计算,得到超导临界温度Tc随空穴掺杂浓度的增加而升高的结果。当空穴掺杂浓度为10%时,超导临界温度达到16 K。通过基于密度泛函理论的第一性原理方法,我们使用晶体结构搜索软件CALYPSO结合第一性原理软件来探索高压下C6F6和CF4的相变。在低压下的C6F6主要为分子晶体,随着压力的增加,逐渐从链状到层状。我们预测并提出了两个高压C6F6聚合相,分别是链状的P21/m和层状的P-3m1结构。其中计算P21/m结构的能带结构表现为半金属状态,计算电子态密度(DOS)发现该结构在30 GPa压力下,带隙消失,由半导体转变为金属态,在400 GPa压力下的P-3m1、Pbca、P21/c-1结构均为半导体,带隙分别为1.80 eV、0.35 eV、0.40 eV。我们也预测了高压下的CF4绝缘分子晶体结构,并给出了结构的焓差随压力的变化关系曲线。其中CF4在常压下稳定的结构是P42/nmc,100~170 GPa最稳定的是C2/c结构,170 GPa之后的更高压力下,P42/nmc是最稳定的结构。这些新预测的碳氟化合物的高压相在一定的压力范围内声子谱没有虚频,说明这些新预测的高压相结构在动力学上是稳定的。
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