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自从超导电性发现以来,因其独特的物理学性质,使超导材料研究具有潜在的经济价值和广阔的应用领域,特别是铜氧化物高温超导体的出现,使超导临界温度进入了液氮温区,进一步掀起了高温超导研究的热潮。然而时至今日,人类对高温超导机制的研究仍没能给出公认的理论解释,严重制约了超导技术的发展。2008年2月新发现的铁基高温超导体LaOFeAs为人类研究高温超导问题开辟了全新的思路,目前通过镧系元素替代或在高压下,其临界温度已突破50K。
本文采用基于密度泛函理论的MaterialStudio软件中的CASTEP模块,首先通过几何优化,研究了新型铁基高温超导材料母体化合物LaOFeAs的基态属性,详细讨论了其能带结构和态密度,发现LaOFeAs是具有磁性的弱金属性材料,费米能级处的态密度主要来源于Fe的d电子和部分As的p电子,且具有电子与空穴共存的现象。导电性主要发生在Fe—As层,显示出一定的二维特性。接着采用虚晶近似,研究了F掺杂的LaO1—xFxFeAs在不同掺杂浓度下的电子结构,探讨了掺杂对铁基超导体物质结构和超导电性的影响。计算表明F掺杂后使LaOFeAs的晶体结构更加稳定,而且使费米面处的态密度明显减小,消除了自旋极化不稳定性的发生,有利于实现超导电性。通过对不同原子分波态密度的分析发现在O位部分掺杂F后,O的2p电子大量激发,作为电荷库层提供大量传导电子,表现出与高温铜氧化物超导体的相似性。
LaOFeAs中含有磁性元素Fe,这与以往人们认为的磁性会破坏超导的认识有很大的不同,实验测得的材料磁矩与基于密度泛函理论计算得到的值相差很大。在本文中我们采用LDA+U方法来处理此类强关联体系,重点考查了电子库仑相互作用对LaOFeAs的影响,得到了与实验较为吻合的数据。根据计算结果得到了目前LaOFeAs型超导体多为电子型掺杂的原因,即d电子的库仑相互作用会抑制空穴型载流子穿过费米面,使电子型能带色散增强。因此在实际材料研究中应重点考虑电子型掺杂。当U增大到4.5eV时,在费米面以上出现了一小的尖峰和赝能隙,但即使U再增大,仍没能发现LaOFeAs出现绝缘态。
铁基超导材料的各项研究刚刚起步,本文仅选取其中两个小的方面进行了理论计算,对许多新的问题还有待今后的深入研究。