铁基超导体结构、磁有序及其与超导电性关联性的第一性原理计算研究

摘要

人类寻找新超导体的历史已经持续将近100年，人们一直坚持不断地进行超导机制的理论研究、同时探索开发新型超导材料并努力推进超导技术在工业中的应用。作为近一个多世纪以来凝聚态物理学最重要的分支之一，超导物理学的研究是伴随着各种不同性质的新超导材料的发现而逐步深入的。铁基高温超导体的发现为进一步研究高温超导的机理提供了一个全新的平台。第一原理计算以其普适性、准确性以及研究周期短等优点，已经在铁基超导研究过程中取得了巨大的成功。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对最新发现的铁基超导体进行了系列的微观结构和物性的研究。针对铁基超导体的四种主要类型包括“1111”型、“122”型、“111”型以及“011”型的超导体，讨论了化学掺杂及外压对铁基超导体的晶体结构、电子态密度和强关联效应下的能带精细结构的变化及其与超导电性之间的关联性。讨论了铁基超导体中强关联体系的电子库仑相互作用，研究了量子临界点的行为和自旋密度波相的转变以及与超导电性的共存的问题。这些结果对进一步认识母体磁性的起源及电子巡游性和局域性的理解给出了重要的启示，期望其对铁基超导体系统的磁性问题有更深刻认识。论文中对铁基超导和磁性共存性的研究是探索超导机理的重要内容之一。另外采用密度泛函理论研究了超导带材缓冲层的力学性质，对薄膜临界厚度的机理问题做了细致的研究，做为第一性原理在实用超导材料中的实际应用，具有重要的意义。主要内容如下：
　　 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的研究背景及研究意义，叙述了超导电性基本概括以及铁基超导体的结构特点、分类及铁基超导体的重要性质：自旋密度波不稳定性。
　　 第二章介绍了多体量子力学理论中的基本原理和密度泛函理论(Density FunctionalTheory，DFT)以及相关计算方法和计算程序。
　　 第三章对“122”型SrFe2As2母体以及空穴型K掺杂的Sr1-xKxFe2As2晶体结构和电子结构做了系统的研究，并对该体系在相邻反铁磁与铁磁等有序态下的性质做了分析比较。计算表明SrFe2As2系统处于反铁磁基态，K元素掺杂对SrFe2As2晶体结构中的Fe、As砷的配位结构逐渐趋向于标准四面体。系统在最邻近原子反铁磁态基态下，Fe原子的磁矩随着K的掺杂而减小，K的掺杂使体系N(EF)的变化规律和Tc的变化一致，体系在最邻近反铁磁有序态的行为有利于Sr1-xKxFe2As2形成空穴掺杂诱导的超导电性。从磁性的变化以及电子结构的分析说明相邻反铁磁有序态也可能是诱导体系超导电性的重要原因。
　　 第四章对SmOFeAs的微观结构进行系统计算和分析及对强关联效应下的精细电子结构分析发现：“1111”型铁基超导体中的Fe-3d电子的库仑势约为U=4.0eV时，在费米面附近能带形成上下的Hubbard子带，导致SmOFeAs体系发生Mott金属-绝缘体转变，且此时能隙为1.13eV。对Ir掺杂的SmOFe1-xIrxAs系统的晶体结构和电子结构做了深入系统的计算和分析。Ir在铁砷层部分置换Fe元素导致FeAs4四面体的畸变程度减小，体系的超导转变温度不仅与掺杂的载流子浓度有关，还与晶体结构有着密切的关联。电子态密度的结果表明，Fe-3d与As-4p杂化态对该体系的物理性质起了决定性作用，体系中费米能级的移动与其超导电性密切关联。Fe原子的投影态密度的分析表明，其五重简并轨道均对该体系的费米面做出贡献，而[FeAs]层的电子掺杂主要对Fe的dz2轨道有很大的影响。论文系统地计算了SmOFe1-xIrxAs体系的磁有序与超导电性竞争的相图，得到了体系的自旋密度波(spin density wave，SDW)转变与超导电性的关系。在反铁磁基态时发现SmOFe1-xIrxAs体系的Fe原子的局域磁矩随着掺杂量的增加逐步减小，体系的磁性逐渐变弱，在掺杂浓度x=0.5时体系出现量子临界点。SDW态没有完全被Ir掺杂抑制时，体系表现出超导电性。这表明反铁磁不稳定态延伸到超导态当中。顺磁和反铁磁的能量差值△E表明SmOFe1-xIrxAs体系逐步从自旋密度波有序态向无磁性态过渡。
　　 第五章对FeSe的不同磁结构，能量，磁矩，电子能带和电子态密度进行了计算和分析。计算采取密度泛函结合Hubbard模型的方法研究了FeSe压力下的行为。计算发现，畸变的Cmma型FeSe结构的条纹状反铁磁态为系统的基态，FeSe在外压下体系的磁性受强关联体系电子的多体效应而被逐渐抑制。电子结构计算表明，压力使得系统的金属性增强，磁性减弱，有利于诱导FeSe体系超导电性的出现。结果表明：FeSe系统的超导电性和磁性涨落有密切的关系。本章还对铁基超导体的其它几种类型以及铁基与铜基超导体的一些性质进行了对比和总结。
　　 第六章对涂层超导体中的缓冲层材料CeO2薄膜力学性质进行模拟计算，研究了掺杂稀土元素Sm、Gd和Dy对CeO2晶胞参数和弹性常数的影响。在计算范围内，发现掺杂以后Ce1-xRExO2的晶胞体积V和弹性常数E*的变化主要取决于系统的载流子增加，与掺杂元素的种类关系不大。拟合得到了E*与掺杂电子数增量△ne的变化关系，分析表明：在一定的制备工艺条件下，掺入Sm、Gd和Dy可以使Ce1-xRExO2缓冲层薄膜的临界厚度分别提高22％、43％和33％。