【摘要】：在當(dāng)代凝聚態(tài)物理研究中,關(guān)聯(lián)電子體系以奇特繁多的量子現(xiàn)象和諸多亟待解決的新穎物理問題,持續(xù)吸引著科學(xué)家們在這一領(lǐng)域投入熱情。其中空間維數(shù)和電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、非平庸拓?fù)鋺B(tài)等一直是研究的熱點。本論文通過第一性原理對三類材料的電子結(jié)構(gòu)進行了計算模擬,結(jié)合相關(guān)實驗數(shù)據(jù)來研究其關(guān)聯(lián)電子態(tài)及拓?fù)湫再|(zhì)。本文結(jié)構(gòu)如下:第一章緒論,首先介紹研究背景,從空間維度對多體關(guān)聯(lián)的影響開始,到現(xiàn)階段拓?fù)洳牧系难芯砍晒?接著簡述本文所涉及的計算方法等。第二章,介紹本文所使用的第一性原理計算方法中的密度泛函理論(DFT)、贗勢方法,Wannier函數(shù)等。其中包括了固體能帶論的絕熱近似、單電子近似、周期場近似,到密度泛函理論的Hohenberg-Kohn定理、Konh-Sham方程,幾種不同的交換關(guān)聯(lián)泛函包括局域密度近似(Local-Density Approxima-tion,LDA)、廣義梯度近似(Generalized-Gradient Approximation,GGA),贗勢方法中介紹了模守恒贗勢(Norm-Conserving Pseudopotential)、超軟贗勢(Ultra Soft Pseudopotential,USPP)、投影綴加平面波等(Projector Augmented Wave Method,PAW)等,最后介紹Wannier函數(shù)方法。第三章,對Tl2Fe6Te6的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、基態(tài)磁性構(gòu)型、態(tài)密度、費米面等進行了研究。計算結(jié)果和實驗對照表明出,T1的晶格結(jié)構(gòu)在進行優(yōu)化后仍然保持了預(yù)期的對稱性,同時對晶格常數(shù)等計算結(jié)果也和實驗數(shù)值相似。對基態(tài)磁性構(gòu)型的研究上,考慮諸如鐵磁態(tài)(FM)、層間反鐵磁(AFM)、非線性(Non-collinear)等幾種構(gòu)型,對其進行自洽計算,結(jié)果顯示鐵磁態(tài)(FM)能量最低,也與實驗結(jié)果相吻合。在能帶結(jié)構(gòu)的計算中,Tl2Fe6Te6的能帶結(jié)果顯示很強的三維性,各方向上能量色散都很大,與其它一些具有相同晶格結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)一維材料的電子能帶相異。最后通過用Wannier函數(shù)構(gòu)造緊束縛近似哈密頓量計算電子費米面和態(tài)密度,并對這些結(jié)果進行了討論。第四章,通過第一性原理的方法對一類鑭系磷族化合物L(fēng)nPn(Ln=Ce,Pr,Sm,Gd,Yb;Pn=Sb,Bi)進行了研究。我們分別通過PBE(Perdew-Burke-Ernzehof)、mBJ(modified Becke-Johnson)、HSE06(Heyd-Scuseria-Ernzerhof hybrid)泛函三種方法計算得到的電子能帶結(jié)構(gòu)進行對比,同時分析了能帶反轉(zhuǎn)特點以及對應(yīng)的Z2拓?fù)洳蛔兞�。我們發(fā)現(xiàn)mBJ/HSE06的計算結(jié)果和量子振蕩測量的結(jié)果有較好的吻合,但PBE由于高估能帶反轉(zhuǎn)而得到較大的β和γ能帶頻率。從Ce到Y(jié)b,可以觀察到鑭系收縮導(dǎo)致能帶反轉(zhuǎn)逐次減小的結(jié)果,同時鑭系銻族化合物和鑭系鉍族化合物的拓?fù)浞瞧接沟狡接沟霓D(zhuǎn)變分別發(fā)生發(fā)在SmSb和DyBi。最后我們發(fā)現(xiàn),和鑭系收縮不同,簡單加壓會增大體系的能帶反轉(zhuǎn)能隙。最后一章,我們對α-Ga單晶進行了一系列輸運實驗,觀察到在2K、9T的外磁場下約為1.66×106%的極大磁阻。低溫下dHvA(de Haas-van Alphen)和SdH(Shubinikov de Hass)量子振蕩實驗得到了極高的載流子遷移率和很小的回旋有效質(zhì)量,以及非平庸的貝里相位(Berry phase)。結(jié)合第一性原理計算的能帶結(jié)構(gòu)分析,以上的性質(zhì)都說明α-Ga是一個稀有的拓?fù)湫再|(zhì)的純金屬。接著通過比熱和電阻的測量,我們看到了 0.9K的超導(dǎo)相。以上的結(jié)果說明α-Ga是一個獨特的具有拓?fù)浞瞧接挂约俺瑢?dǎo)性質(zhì)的純金屬材料。最后,對本論文的計算結(jié)果做了一個總結(jié),同時對未來工作發(fā)展做進一步的預(yù)期和展望。
【學(xué)位授予單位】：杭州師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O469
【圖文】：

晶格常數(shù)使用實驗值(Exp)和優(yōu)化值(Opt)的計算結(jié)果對比

圖 3.4: 線性磁構(gòu)型和非線性磁構(gòu)型的計算結(jié)果對比相對論性自旋軌道耦合效應(yīng) (spin orbit coupling)。如圖 3.3 和圖 3.計算了這些構(gòu)型下的晶格常數(shù)，總能量，單位原子磁矩等物理量，算均取無磁態(tài)的能量值為零的初始值。圖 3.3 為三種情況下使用實數(shù)和優(yōu)化后晶格常數(shù)對能量、磁矩的對比。結(jié)果均顯示鐵磁態(tài) (FM低，磁矩的計算結(jié)果也可以看出實驗值和優(yōu)化后都是在鐵磁 (FM)單位原子磁矩最大。表明 FM 相應(yīng)最穩(wěn)定。晶格常數(shù)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后 a 軸都有變大，但只有鐵磁相的 c 軸在優(yōu)化后較實驗值變小，其他軸都變大。我們知道通常來說 LDA 并沒有充分考慮磁性漲落，計算

圖 3.6: Tl2Fe6Te6無磁 (Nonmagnetic) 態(tài)的能帶結(jié)構(gòu) (Exp)dzy、dzx和 dxy、dx2 y2，和一個 dz2軌道。態(tài)密度計算結(jié)果表明，在費米級附近 Fe 的 3d 電子占主要貢獻(xiàn)，其中占主導(dǎo)的是 dxy和 dx2 y2軌道電子態(tài)。為了對照分析上述結(jié)果，我們使用優(yōu)化后的晶格常數(shù)重復(fù)了上述計算。如圖 3.9 所示，能帶在 Γ A 方向能的色散非常大，同時 Γ M、M K、K Γ等方向上也有能帶穿過。與使用實驗參數(shù)得到的能帶圖較明顯的區(qū)別為 Ef-0.5處能隙更大，這可能是因為優(yōu)化后晶格常數(shù) a 較實驗值有所增大，原子間鏈間耦合變小導(dǎo)致的。如圖 3.10 所示，共有五條能帶穿過費米面，且費米面形狀都與實驗參數(shù)得到的費米面不相同，在 H 點處有電子帶 (electron pocket)，但是仍然沒有 1D 的費米面出現(xiàn)。態(tài)密度的計算結(jié)果如圖 3.11 所示。對費米

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本文編號：2746403