一些新型材料物性的理論研究.pdf

1、近十幾年來，由于理論計算方法和計算機水平的高速發(fā)展，在密度泛函基礎上的第一性原理方法在量子化學、凝聚態(tài)物理和材料化學等領域得到了廣泛的應用。第一性原理方法的優(yōu)勢在于在不違背物理原則的條件下，它不會像實驗技術一樣由于條件限制在極限條件下遇到瓶頸，或者由于外因的干擾無法對真實的物理現象做出準確的判斷。事實上，理論計算不僅可以用來解釋觀測到的現象，給出其背后的物理本質，還可以給出前瞻性的預言和設計，指導實驗方面的研究。這使得在現今的前沿科學領

2、域，第一性原理計算已經成為一個不可或缺的研究手段。
　　 本論文主要包含以下幾個工作：利用第一性原理方法預言了一種新的三維sp2硼結構—K4硼晶體；利用密度矩陣微擾理論研究了鎵摻雜的鍺超導體中的電聲耦合機制；基于第一性原理方法討論了利用FeAs單層模擬實際鐵基超導體中的摻雜效應的可行性及與實驗合作研究了不同Co摻雜濃度下的Ba(Fe2-xCox)As2的(0 0 1)表面性質；利用第一性原理方法修正了Haggite晶體的結構并解

3、釋了在Ag1.2V3O8中的鐵磁機理。
　　 在第一章中，我們簡要介紹了密度泛函理論的框架、發(fā)展和應用。作為主要部分，我們介紹了密度泛函理論中交換相關能量泛函的發(fā)展，從最初的局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)的不同到后來的自相互作用修正，雜化泛函，精確交換及優(yōu)化有效勢(OEP)等方法。同時我們也介紹了密度泛函理論向動力學平均場及含時理論等方向的擴展。在本章的最后介紹了一些常用的計算軟件包。
　　 在第二章中，

4、我們用第一性原理方法預言了一種新的硼晶體，即K4硼晶體。我們擬合能量-體積曲線得到的狀態(tài)方程顯示K4 硼晶體存在一個穩(wěn)定結構，聲子部分的計算也表明這個結構沒有虛頻模式的存在，證明這個新結構是一個穩(wěn)定結構。通過與α-B12，β-B105和γ-B28的比較，K4硼具有最低的結合能，體模量和密度。電子結構計算表明這種新晶體是一個間接帶隙為約1.5 eV的半導體。這種新的三維全sp2結構不僅在概念上是很吸引人的，同時也具有很廣的應用前景。

5、>　　 在第三章中我們研究了鎵摻雜鍺超導體中的電子結構，振動及電子–聲子耦合性質。鎵在鍺中的引入使得在鍺體系中引入了空穴，從而使體系發(fā)生半導體-金屬轉變。我們發(fā)現通過鎵摻雜會使高頻光學聲子變軟，盡管這個變軟的程度比硼摻雜的金剛石超導體中要低。通過分析振動模式與耦合常數的關系，我們發(fā)現在鎵摻雜鍺超導體中，聲學模式貢獻了耦合常數的25％左右。在我們用McMillan公式計算了超導轉變溫度，當取μ*=0.1時，計算得到的超導轉變溫度為0.4

6、4K，與實驗符合的較好，說明這個體系的超導機制可以通過傳統(tǒng)的通過聲子調制的配對機制來解釋。
　　 在第四章中，首先我們研究以單層FeAs來模擬母體材料中的幾何結構以及電子結構隨摻雜變化的可能性。我們發(fā)現在這種忽略層與層相互作用的模型里，在GGA和GGA+U框架下無法很好的得到與實驗相匹配的結果，尤其是無法重復實驗上發(fā)現的條紋反鐵磁基態(tài)。這可能是由于在這個模型忽略了RO或者A層與FeAs層之間的相互作用，而這個相互對FeAs層的結

7、構具有比較大的影響。以上的結果從反方面說明了要比較好的模擬FeAs層的性質，簡單的帶電單層是不合適的。另外我們還和曾長淦教授領導的實驗小組合作，研究了Ba(Fe2-xCox)As2的(0 0 1)表面性質，通過比較實驗和理論計算得到的STM圖像和dI/dV曲線，我們認為這個表面具有2×2的結構，并且是一個只有50％Ba在最上層的半Ba表面。
　　 在第五章中，我們研究了Haggite晶體的晶體結構和電子結構性質以及Ag1.2V3

8、O8中的鐵磁機理。通過和謝毅教授領導的實驗小組合作，我們重新分析了haggite的晶體結構信息，我們認為haggite應該是V4O6(OH)4而非以前一直認為的V4O4(OH)6。在這個結構基礎上，理論計算得到的基態(tài)是一帶隙為1.4eV左右的半導體。當溫度降低至66K左右時，有一個結構相變，伴隨著電阻的急劇增加以及磁結構的變化。在Ag1.2V3O8方面，我們結合EXANES實驗結果，很好的解釋了在V的L邊中肩峰的來由，并以此說明Ag1.