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目前仅有的两大类高温超导体材料(铜氧化物超导体和铁基高温超导体)的对比研究加深了人们对高温超导体物性的理解,也为新型超导材料的研制提供了不少新的思路,但是截止目前仍未出现完善的机制可以解释高温超导现象。更多新型的超导材料的设计与研制必将有利于深入理解超导现象和研究高温超导机理,而同时含有CuO2层和Fe2As2层的高温超导体候选材料的探索则非常具备现实意义和理论价值,对于此类材料物性的研究预期,并与其他两类高温超导体材料的对比,将让我们理解哪些性质是与超导机理具有本质联系的,哪些性质是不重要的,这对形成高温超导机理将会有很大推动作用。
本文基于第一性原理计算设计出了同时包含CuO2层和Fe2As2层的高温超导体候选母体材料A2(A=Ca,Sr,Ba)CuO2Fe2As2,给出了我们设计该系列材料的原则及思路,预估了材料的晶格常数,并分析了其结构稳定性。通过结构优化和能量计算证实了我们设计的A2CuO2Fe2As2材料结构稳定,其总能量不仅低于ACuO2与AFe2AS2各自单相存在的能量之和,也低于Cu与Fe换位后的同组分物质A2FeO2FeCuAs2的能量。
针对所设计出这些高温超导候选材料,本文借助于局域密度泛函理论计算了其电子结构以预期其物理性能。计算结果显示,该类母体材料总体上将表现出一定的金属性,且结构表现出较明显的二维特征,其中Ca2CuO2Fe2As2与Sr2CuO2Fe2As2母体材料的晶格结构和电子结构更为接近,而Ba2CuO2Fe2As2的晶格常数显得略大,电子结构则表现出更强的二维特性和略弱的金属性。我们还研究了元素掺杂对材料物性的影响。通过与现有的两类高温超导体的对比,发现空穴掺杂导致的变化与铁基超导体相似,电子掺杂导致的变化与铜氧化物高温超导体更接近。注意到材料内可能的3d电子强关联性,我们针对结构优化成功的晶胞结构采用LDA+U方法,计算分析了电子在位库伦作用能U最可能的取值及此时的材料性质,发现设计出的新型材料内u最可能的大小为:Fe3d电子的U值在4eV附近、Cu3d电子的U值在5eV附近,此时材料的电子结构与现有两类高温超导体最为相似,且母体材料表现出强关联电子体系的弱金属性质,并且Fe2As2层导电性比CuO2层更强,并具有明显二维结构特征。