高温高压下YBa2Cu3O7物理性质的第一性原理计算

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自从高温超导材料的发现和研究,已经有20多年的历史了。高温超导材料具有多种十分显著的特点,例如零电阻效应、迈斯纳效应(理想抗磁性)、约瑟夫效应等。YBa2Cu3O7是一种典型的高温超导材料,历史上已经有许多有关这种材料的研究,包括理论和实验,不过在极端条件下(高温高压)的研究目前还不是很多。首先,基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理,我们研究并计算了超导YBa2Cu3O7在稳定状态下的各种结构和数据,例如原胞的晶格常数。计算数据表明:计算的结果与实验值和其他人所得出的理论值符合的比较好。为了确定超导YBa2Cu3O7稳定结构以便更好地研究其他性质,通过CASTEP软件的计算,拟合出原胞体积和能量的关系曲线。在这个过程中,首先固定晶格常数b,从3.035到3.125,每隔0.01选取不同的c/a.赋予不同的晶格常数α,从而得到一系列的体积与能量的曲线。然后,即每隔0.001改变b(3.900到4.000)再做类似的操作。最后,我们在一系列的体积和能量曲线中找到了能量最低点。当晶格常数b=3.958,a=3.900,c/a=3.065时,YBa2Cu3O7在理论条件下处于最稳定状态。另外,我们发现,所有的晶格常数都随压强的增加而增加,尤其沿c轴最容易被压缩。然后,利用准谐德拜模型,我们获得了超导体YBa2Cu3O7在不同温度和压强的热力学性质,包括定压定容热容、德拜温度和热膨胀系数等重要的物理量。定压和定容热容量都是在压强一定时,随温度的升高而增大,当温度在700K以上时,定容热容量趋于Dulong-Petit极值(9NAKB),即为324.285J mol-1K-1。当压强增大时,德拜温度也随之增大,同时我们还发现,在较高的压强下,温度对德拜温度的影响也就越低。而热膨胀系数在温度恒定压强较小时(P<30GPa)热膨胀系数几乎成指数减小,而在高压时(P>30GPa),减小的趋势逐渐变缓。最后,利用CASTEP软件,我们研究YBa2Cu3O7的弹性性质,得到了9个弹性常数,并且利用这9个弹性常数得到了体弹模量、剪切模量和杨氏模量以及泊松系数和声速这些重要的物理量,我们发现体弹模量、剪切模量和杨氏模量都是随着压强的增大而增大,并且基本满足线性的关系。同时我们发现在零压下,YBa2Cu3O7泊松系数s的值分别为0.331,这就说明材料为金属材料,具有金属的性质。
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