【摘要】：低維材料相較于普通材料,具有獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì),一直受到人們的密切關(guān)注。研究低維材料中的超導(dǎo)性質(zhì)對于理解超導(dǎo)現(xiàn)象,研究超導(dǎo)機(jī)理有重要的作用。二維材料的研究肇始于石墨烯的成功制備。與其同族的硅烯、鍺烯等二維材料也陸續(xù)被制備研究。硼烯由于其缺電子性質(zhì)呈現(xiàn)出豐富的結(jié)構(gòu)類型,包括了一系列的不同配位類型的硼烯。磷烯由于其合適的帶隙,良好的遷移率一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就受到人們的廣泛關(guān)注。砷烯做為與磷烯同族的二維材料,不同于活潑的磷烯,在實(shí)驗(yàn)上可以穩(wěn)定存在。同時(shí),砷烯與石墨烯相比又具有較為合適的帶隙。因而,研究砷烯的性質(zhì)對于理解二維材料的性質(zhì),二維材料的應(yīng)用有一定的意義。另一方面,如何在性能優(yōu)異二維材料中引入超導(dǎo)電性一直是人們的追尋目標(biāo)。而基于電聲調(diào)制的BCS理論是目前較為成熟的理論體系。其理論核心是實(shí)現(xiàn)自旋相反、動(dòng)量相反的兩個(gè)電子配對從而形成庫珀對�；诖死碚�,費(fèi)米面處的態(tài)密度和電聲耦合是影響材料超導(dǎo)性質(zhì)的兩個(gè)重要因素。而載流子濃度和應(yīng)力的大小會改變這兩個(gè)因素。因而通過調(diào)控載流子濃度和應(yīng)力方法不失為調(diào)節(jié)材料超導(dǎo)性質(zhì)的兩個(gè)手段。在實(shí)際材料制備中,基底與材料間的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用一定意義上也可以實(shí)現(xiàn)這兩種途徑。通過這兩種方法,Li原子插層的石墨烯在實(shí)驗(yàn)上觀測到7.1 K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。而空穴摻雜的硼烯在應(yīng)力條件下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度理論預(yù)測可以達(dá)到24.7 K,但與制備基底間的相互作用使得其轉(zhuǎn)變溫度被壓制,在實(shí)驗(yàn)上尚未觀測到如此高的轉(zhuǎn)變溫度�？梢钥吹�,載流子濃度和應(yīng)力大小對材料超導(dǎo)性質(zhì)的影響是不確定的。我們希望通過載流子濃度與應(yīng)力手段在砷烯中引入超導(dǎo)性質(zhì),并觀測兩種手段對砷烯超導(dǎo)性質(zhì)的影響,進(jìn)而對實(shí)驗(yàn)可以有一定的指導(dǎo)作用。密度泛函理論是發(fā)展的計(jì)算材料性質(zhì)的成熟而優(yōu)秀的理論,其核心是用僅含有三個(gè)自由度的電子態(tài)密度而不是3N個(gè)自由度的電子波函數(shù)來描述相互作用費(fèi)米子系統(tǒng),這大大簡化了計(jì)算過程。Kohn-Sham理論將多體相互作用項(xiàng)包含進(jìn)交換關(guān)聯(lián)項(xiàng)中,從而可以用有效勢場下的無相互作用電子體系代替求解的N電子互作用系統(tǒng),得到Kohn-Sham自洽方程。通過求解這些方程即可求得到想要的物理量。密度泛函微擾理論通過求解電荷密度與晶格畸變之間的線性響應(yīng)進(jìn)而求解久期方程而得到聲子的大小。更進(jìn)一步地,可以通過ELiashberg理論,來求解電聲耦合中的各種量,進(jìn)而衡量材料的超導(dǎo)性質(zhì)。為了研究砷烯的超導(dǎo)性質(zhì),我們通過密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法研究了電子摻雜砷烯的電子、聲子性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)電子摻雜的砷烯會變成電聲調(diào)制的超導(dǎo)體。分析電聲耦合性質(zhì)可以看到,對超導(dǎo)起主要貢獻(xiàn)的聲子是K點(diǎn)的A_1聲子模式,而起主要貢獻(xiàn)的電子為砷原子的p_z電子軌道。同時(shí),計(jì)算表明,在不施加應(yīng)力條件下,摻雜濃度為每元胞0.1個(gè)電子時(shí),超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度就可以達(dá)到液氦溫度4.7 K以上。當(dāng)摻雜濃度為每元胞0.2個(gè)電子,并施加雙軸拉伸應(yīng)力為12%時(shí),超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以提高到30 K左右。由于相對較小的電子摻雜濃度和容易實(shí)現(xiàn)的應(yīng)力條件,且作為砷烯機(jī)械剝離前驅(qū)物的灰砷為穩(wěn)定的砷同素異形體,因此可以推測此電聲超導(dǎo)體容易在實(shí)驗(yàn)上得到實(shí)現(xiàn)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O613.63

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