【摘要】：低維材料相較于普通材料,具有獨特的物理、化學性質,一直受到人們的密切關注。研究低維材料中的超導性質對于理解超導現(xiàn)象,研究超導機理有重要的作用。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呈現(xiàn)出豐富的結構類型,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,良好的遷移率一經發(fā)現(xiàn)就受到人們的廣泛關注。砷烯做為與磷烯同族的二維材料,不同于活潑的磷烯,在實驗上可以穩(wěn)定存在。同時,砷烯與石墨烯相比又具有較為合適的帶隙。因而,研究砷烯的性質對于理解二維材料的性質,二維材料的應用有一定的意義。另一方面,如何在性能優(yōu)異二維材料中引入超導電性一直是人們的追尋目標。而基于電聲調制的BCS理論是目前較為成熟的理論體系。其理論核心是實現(xiàn)自旋相反、動量相反的兩個電子配對從而形成庫珀對�；诖死碚�,費米面處的態(tài)密度和電聲耦合是影響材料超導性質的兩個重要因素。而載流子濃度和應力的大小會改變這兩個因素。因而通過調控載流子濃度和應力方法不失為調節(jié)材料超導性質的兩個手段。在實際材料制備中,基底與材料間的電荷轉移和相互作用一定意義上也可以實現(xiàn)這兩種途徑。通過這兩種方法,Li原子插層的石墨烯在實驗上觀測到7.1 K的超導轉變溫度。而空穴摻雜的硼烯在應力條件下的超導轉變溫度理論預測可以達到24.7 K,但與制備基底間的相互作用使得其轉變溫度被壓制,在實驗上尚未觀測到如此高的轉變溫度�？梢钥吹�,載流子濃度和應力大小對材料超導性質的影響是不確定的。我們希望通過載流子濃度與應力手段在砷烯中引入超導性質,并觀測兩種手段對砷烯超導性質的影響,進而對實驗可以有一定的指導作用。密度泛函理論是發(fā)展的計算材料性質的成熟而優(yōu)秀的理論,其核心是用僅含有三個自由度的電子態(tài)密度而不是3N個自由度的電子波函數來描述相互作用費米子系統(tǒng),這大大簡化了計算過程。Kohn-Sham理論將多體相互作用項包含進交換關聯(lián)項中,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進而求解久期方程而得到聲子的大小。更進一步地,可以通過ELiashberg理論,來求解電聲耦合中的各種量,進而衡量材料的超導性質。為了研究砷烯的超導性質,我們通過密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了電子摻雜砷烯的電子、聲子性質。發(fā)現(xiàn)電子摻雜的砷烯會變成電聲調制的超導體。分析電聲耦合性質可以看到,對超導起主要貢獻的聲子是K點的A_1聲子模式,而起主要貢獻的電子為砷原子的p_z電子軌道。同時,計算表明,在不施加應力條件下,摻雜濃度為每元胞0.1個電子時,超導轉變溫度就可以達到液氦溫度4.7 K以上。當摻雜濃度為每元胞0.2個電子,并施加雙軸拉伸應力為12%時,超導轉變溫度可以提高到30 K左右。由于相對較小的電子摻雜濃度和容易實現(xiàn)的應力條件,且作為砷烯機械剝離前驅物的灰砷為穩(wěn)定的砷同素異形體,因此可以推測此電聲超導體容易在實驗上得到實現(xiàn)。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O613.63

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