新超导体的第一性原理计算研究

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本文采用基于全势线性缀加平面波方法的WIEN2K程序包和基于平面波赝势方法的QUANTUM ESPRESSO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SrFe0.875Co0.125AsF和β型烧绿石结构氧化物超导体AOs2O6(A=K,Rb,Cs)。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SrFeAsF及其Co掺杂超导体SrFe0.875Co0.125AsF(Tc=4 K)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Fe原子之间的反铁磁(AFM)超交换耦合常数J1和J2的大小。得到的创新结果如下:(1)SrFeAsF的基态为条纹型反铁磁(AF2)态,并伴随着明显的四方到正交的结构相变。Co掺杂后压制了结构相变。(2)计算得到的这两种材料J1/2J2的值分别为0.46和0.94(~1),以上结果表明:在SrFeAsF中J2足够强(J1/2J2<1),材料处于稳定的条纹型反铁磁(AF2)构型。SrFe0.875Co0.125AsF中J1减小的比J2减小的少,因此J1足够强(J1/2J2~1),系统处于棋盘型反铁磁(AF1)与AF2两种反铁磁构型的临界状态,有较强的磁涨落。(3)Co掺杂后晶胞体积减小,电子能带杂化增强,使得Fe(Co)原子的局域性减小,巡游性增强。而电子掺杂使费米能级上升到导带处态密度的van Hove峰上。我们的结论是,Co掺杂抑制了铁砷氟化物母体中的结构相变和自旋序,SrFe0,875Co0.125AsF表现为磁涨落引导的超导电性。   2.考虑重过渡金属Os原子的自旋轨道耦合(SOC)和在位库仑势(U)作用,采用广义梯度近似(GGA)+SOC+U的计算方法,并结合实验数据分析研究β型烧绿石结构锇氧化物超导体AOs2O6(A=K,Rb,Cs;Tc=9.6 K,6.3 K,3.3 K)的电子关联性和电声子耦合。结果表明:(1)三种锇氧化物超导体的在位库仑势(U)分别为2.5、1.8和1.2 eV。计算得到K与Rb的锇氧化物N(EF)近似相等而Cs的最小。(2)计算得到三种锇氧化物超导体的电子关联耦合常数λc(=N(EF)U/(2×n))分别为1,55、1.12和0.73。(3)由实验测量得到的Sommerfeld系数γexp,计算得到电子质量提高因子γ(=γexp/γb)分别为6.535,3.774和3.594。由于电子关联和电声子耦合是质量提高的两个因素,γ=(1+γc)(1+γep),我们估算得到三种锇氧化物的电声子耦合常数γep分别为1.56,0.78,1.08。总结以上计算结果,我们得到的结论是:KOs2O6既是强关联电子系统,也是强电声子耦合系统。RbOs2O6和CsOs2O6电子关联和电声子耦合强度都比KOs2O6弱。   3.在强电声子耦合BCS理论框架下,研究KOs2O6和RbOs2O6的结构稳定性,声子软化和超导电性的关系。我们计算了AOs2O6(A=K,Rb,Cs)的能量随碱金属离子位置偏移量△的关系以及KOs2O6和RbOs2O6在Г点的声子频率。计算结果表明:(1)KOs2O6在K离子偏移原格点位置后系统的能量最低,表明KOs2O6的结构最不稳定。RbOs2O6和CsOs2O6也有一定的结构不稳定性。(2)计算得到的KOs2O6声子频率普遍比RbOs2O6的低。考虑到电声子耦合常数与频率的关系γep=∑Ni(EF)ηi/(M<ωi2>):声子频率越低对电声子耦合的贡献越大,因此KOs2O6的强电声子耦合是由于其声子软化比RbOs2O6的大导致的。分析KOs2O6系统的结构,我们发现较小的碱金属离子K位于有空穴的氧笼子中,具有较大活动性导致晶格的软化,引起较强的电声子耦合。随碱金属离子半径的增大活动性减弱,声子的软化程度降低。我们对KOs2O6的声子频率计算结果与实验测量一致,并能合理解释三种锇氧化物的超导电性。
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