二维BC2N中插层碱金属的超导性质第一性原理研究

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由于超导材料具有潜在的应用前景和显著的学术价值,它的相关研究备受关注。层状B-C-N材料由于其插层性质、超导性质和半导体性质可被应用于电池、电容和半导体而被广泛报道。理论研究发现BC2N的带隙极大程度上依赖原子的排布方式,由于层状BC2N的原子排布不同带隙取值范围为0~1.62 e V,类石墨层状BC2N通过插层施主材料而展现出独立的物理性质,如超导等。通过插层的方法可以明显的改变材料的电子分布方式,从而实现对材料性质的调控。研究结果表明电子输运可以诱导材料表现出金属性甚至超导,例如石墨的插层化合物(GICs)。早在1965年在GICs中就发现了低于1 K的超导转变温度(AC8,A=K,Rb,Cs),之后,在Yb C6和Ca C6中也发现了超导电性,其转变温度(Tc)分别为6.5 K和11.5 K,而且在施加压力的情况下Ca C6的超导转变温度可以提高至15.1 K。在其它层状化合物中插层碱金属或者碱土金属也可诱导出超导性质,因此,探究插层原子对半导体的影响和探究在层状BC2N的插层化合物中是否出现超导现象是非常有意义的课题。BC2N的插层化合物(Na,K,Mg等)已经通过电化学、气相反应和固-气反应等方法合成出一阶、二阶的插层化合物。通过XAS实验发现BC2N的电子亲和力要明显高于石墨,意味着碱金属容易稳定在BC2N插层中,重要的是与石墨相比层状BC2N更适合作为宿主材料。前人通过理论模拟计算发现在Li,Na吸附单层/双层BC2N的化合物中表现出良好的金属性。令人兴奋的是,在最近的一篇报道中报道了Li吸附的单层BC2N化合物是超导体,它的超导转变温度~3.6 K,这表明在类石墨BC2N材料中插层金属是诱导它出现超导性质是可行的方法。在新的BC2N插层化合物成功的合成和其潜在的超导性质的推动下,探究体相K-BC2N的电学性质和是否能在该材料中发现超导现象是非常有意义的,即使它们的超导转变温度不是太高。本文利用第一性原理方法对体相K-BC2N的晶体结构和电学性质展开了广泛深入的研究。结果如下:1、通过筛选五种能量最低的层状BC2N作为宿主材料,将碱金属原子放置在六元环中心的上方,本文利用PHONOPY结合VASP软件计算了经过精细优化后的插层化合物的结构稳定性,预测出两个动力学稳定的Cmmm和Pmm2新相。2、理论计算发现Cmmm K-BC2N和Pmm2 K-BC2N结构均表现出较好的金属性,它们的费米面处总电子态密度分别达到了1.2 states/e V/f.u.和1.1states/e V/f.u.,其中K原子的贡献占主要部分。3、利用Quantum Espresso软件对K-BC2N的电声耦合强度计算发现它们的电声耦合常数(λ)分别为0.51和0.56,超导转变温度为3~6 K。研究发现与KC8中K原子作用不同的是,在K-BC2N中K原子不仅为BC2N提供电子而且在电声耦合中也起到了关键作用。本文的研究结果为在层状BC2N中寻找新的超导材料提供了理论依据,为实验进一步合成出新的二维插层超导材料提供了可能。也为进一步研究在BC2N中插层金属元素来调控BC2N性质提供借鉴。
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