【摘要】：過渡金屬化合物具備出眾的力學、熱學、光學、電學、磁學性質(zhì),并表現(xiàn)出獨特的協(xié)同效應,借助于理論和實驗方法,二元過渡金屬化合物具有半金屬、半導體、超導和熱電材料等非凡特性,從而成為無機固體領域的研究熱點。通常而言,二元過渡金屬化合物在自然界中大多以NiAs相(B81)或MnP相(B31)的形式存在。之前的研究工作主要集中在過渡金屬化合物的基態(tài)結(jié)構(gòu)及其性質(zhì),而對于二元過渡金屬化合物亞穩(wěn)態(tài)的研究甚少。本文采用了第一性原理計算方法結(jié)合智能結(jié)構(gòu)搜索算法,研究發(fā)現(xiàn)了二元過渡金屬超導體CrAs在加壓條件下發(fā)生了磁性相變;設計研究了亞穩(wěn)態(tài)反鐵磁CrAs2二維材料,其奇特的節(jié)線半金屬性質(zhì)受一種新型對稱性保護;研究了 MnTe的磁性和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì),其亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)為反鐵磁半導體,可作為自旋電子學器件的備選材料。首先,我們研究了常壓和高壓條件下塊體CrAs的晶體結(jié)構(gòu)、磁性以及電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。通過結(jié)構(gòu)預測方法,得到了常壓條件下CrAs的基態(tài)結(jié)構(gòu),雙螺旋反鐵磁結(jié)構(gòu)的Pnma相。并預測了三種新的亞穩(wěn)態(tài),分別是反鐵磁的P6m2-A型,鐵磁的P4/nmm和非磁的P6m2-B型。在加壓條件下,CrAs中出現(xiàn)了壓力誘導的磁性相變和晶體結(jié)構(gòu)相變。結(jié)合超導實驗中磁性及晶體結(jié)構(gòu)隨壓力變化的行為,討論了磁性相變和晶體結(jié)構(gòu)相變與實驗中超導電性存在的關聯(lián)。其次,設計研究了一種亞穩(wěn)態(tài)的單層反鐵磁CrAs2,它是一種新型二維拓撲節(jié)線半金屬。通過計算其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)該反鐵磁單層CrAs2同時具有type-I和Ⅱ的節(jié)線半金屬態(tài)。通過計算節(jié)線半金屬態(tài)的軌道能帶構(gòu)成,分析了它們形成機制,并通過破壞特定對稱性研究了它們的穩(wěn)定性。其中由類非點式(nonsymmorphic)對稱操作保護的節(jié)線半金屬態(tài)是首次在二維材料中被提出,即使在考慮自旋軌道耦合的情況下也不會被打開帶隙。為確定節(jié)線半金屬態(tài)的拓撲性質(zhì),我們計算研究了節(jié)線半金屬的邊緣態(tài)。通過計算剝離能、聲子譜以及分子動力學模擬,研究了單層CrAs2結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在實驗的制備可能性。最后,研究了 MnTe 的六種結(jié)構(gòu) Rocksalt(RS),Cesiun-chloride(CC),Zinc-blende(ZB),Wurtzite(WZ),Iron-silicide(IS)和 Nickel-Arsenide(NA),以及它們磁性和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。確定了這六種結(jié)構(gòu)MnTe的結(jié)構(gòu)信息以及磁性,發(fā)現(xiàn)NA結(jié)構(gòu)為MnTe的基態(tài),ZB,WZ,RS,IS和CC相MnTe以亞穩(wěn)態(tài)形式存在。其中亞穩(wěn)態(tài)ZB,WZ和基態(tài)NA相的MnTe都屬于反鐵磁半導體,可作為自旋電子學器件的備選材料。此外,我們還計算了其體彈性模量和相變壓,研究了在加壓條件下MnTe發(fā)生的結(jié)構(gòu)相變。
【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O469

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本文編號：2661096