新超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性和低維量子體系的輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、單層石墨作為新型的二維納米功能材料，具有優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)，被視為最有望取代硅基電子器件的新型材料。隨著單層石墨中發(fā)現(xiàn)反常的量子霍爾效應(yīng)以后，人們在雙層石墨中發(fā)現(xiàn)另一種反常的量子霍耳效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)報(bào)道通過對雙層石墨外加電場或者進(jìn)行化學(xué)摻雜，能有效控制其帶隙寬度。最近實(shí)驗(yàn)上新報(bào)道強(qiáng)磁場下單層石墨中存在異常的能斯特效應(yīng)。在高溫下，橫向溫差電導(dǎo)率αxy趨向于與磁場、溫度無關(guān)的普適常數(shù)。所有這些結(jié)果都有助于更深入的理解納米結(jié)構(gòu)材料的量子輸運(yùn)特

2、性。在本文中，我們應(yīng)用緊束縛近似模型研究了單層、雙層石墨材料在強(qiáng)磁場下的量子霍爾效應(yīng)和能斯特效應(yīng)。此外，本論文還通過第一性原理計(jì)算研究了一系列新型超導(dǎo)材料MgB2,MAlSi(M=Ca,Sr),MgCNi3的超導(dǎo)機(jī)理和磁性質(zhì)，對發(fā)展BCS超導(dǎo)理論和設(shè)計(jì)合成新型超導(dǎo)材料具有重要意義。
　　 本論文工作包括以下兩個部分：
　　 在第一部分，我們通過數(shù)值計(jì)算研究了單層、雙層石墨材料的熱、電、磁輸運(yùn)性質(zhì)。我們的創(chuàng)新工作是：(1)

3、雙層石墨的量子霍爾效應(yīng)及雜質(zhì)散射的影響。在雙層石墨中，實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的反常電導(dǎo)率量子化規(guī)律僅出現(xiàn)在帶心附近，并滿足σxy=(2e2/h)N,Ⅳ=±1,±2…（不計(jì)自旋）。這里沒有σxy=0的霍爾平臺。隨著雜質(zhì)散射強(qiáng)度w的增加，較高位置的霍爾平臺最先被破壞。帶心附近的兩個平臺最穩(wěn)定。當(dāng)散射強(qiáng)度增大到w=3.2時，所有的量子態(tài)消失，系統(tǒng)完全進(jìn)入絕緣相。在偏壓雙層石墨中，由于價帶與導(dǎo)帶間存在帶隙，使得Dirac點(diǎn)原本高度簡并的朗道能級發(fā)生分裂，因

4、而出現(xiàn)σxy=0的霍爾平臺。當(dāng)雜質(zhì)散射增大到中等強(qiáng)度w=2.0時，價帶與導(dǎo)帶間的帶隙消失，帶心的零平臺被破壞，系統(tǒng)出現(xiàn)金屬相。(2)單層石墨在強(qiáng)磁場下的能斯特效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)橫向溫差電導(dǎo)率α.y是溫度與中心朗道能級寬度比值的普適函數(shù)，并隨著溫度的變化展現(xiàn)出不同的漸進(jìn)行為。低溫下，當(dāng)溫度和費(fèi)米能量遠(yuǎn)小于中心朗道能級的寬度時，αy隨溫度的升高線性增加。高溫下，當(dāng)溫度與中心朗道能級的寬度大小相當(dāng)時，αy趨近一個與磁場、溫度無關(guān)的普適常數(shù)2.77

5、kBe/h。能斯特信號在中心朗道能級有很大的峰值，而在其他朗道能級的峰值很小，且在零附近上下振蕩。溫差電動勢卻正好相反。這些均與最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　 在第二部分，我們應(yīng)用第一性原理和線性響應(yīng)的方法研究了一系列新型超導(dǎo)材料的超導(dǎo)電性。我們通過計(jì)算其電子譜、聲子譜及電聲子耦合常數(shù)，研究超導(dǎo)電性與原子尺寸、晶格的排序和結(jié)構(gòu)的關(guān)系。我們的創(chuàng)新工作是：(1)MgB2晶格平面拉伸對超導(dǎo)電性的影響。MgB2平面拉伸使得聲子譜中B原子的

6、E2g聲子頻率顯著下降，電聲子耦合強(qiáng)度λ和聲子對數(shù)平均頻率ωln增強(qiáng)，因此超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc可提高到41.26K。計(jì)算結(jié)果能很好的解釋在SiC上生長MgB2薄膜提高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以及MgB2超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的負(fù)壓力效應(yīng)。(2)三元硅化物MAlSi(M=Ca,Sr)的超導(dǎo)電性與原子排列序的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)的CaAlSi中Al和Si原子在平面和垂直平面的方向都成有序排列，本文中我們用雙層超格子原胞模型研究CaAlSi的超導(dǎo)電性，用虛晶近似模型研究

7、SrAlSi的超導(dǎo)電性，得到以下結(jié)論：CaAlSi中由于每個原胞包含兩個(Al,Si)層，因此聲子譜中在低頻區(qū)出現(xiàn)了兩類Al-Si原子的振動模式（B1g和A2u），在整個布里淵區(qū)都沒有出現(xiàn)虛頻，晶格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。計(jì)算的聲子對數(shù)平均頻率ωln＝147K，電聲子耦合常數(shù)λ=0.8，因此CaAlSi的超導(dǎo)電性可用提高的中等耦合的BCS理論來解釋。SrAlSi中Al和Si原子在平面內(nèi)無序分布。用虛晶近似模型計(jì)算得到的聲子對數(shù)平均頻率ωln=188K

8、，電聲子耦合常數(shù)λ=0.57，可用弱耦合的BCS理論來解釋其超導(dǎo)電性。我們的模型能夠解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(3)空穴摻雜MgCNi3的超導(dǎo)電性和磁性。在Mg1.xNaxCNi3(0≤x≤0.5)中，隨著摻雜量x的增大，系統(tǒng)的總能量增高，晶格結(jié)構(gòu)趨向不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)摻雜量增加到x=0.12時，體彈性模量及其對壓力的一階導(dǎo)數(shù)出現(xiàn)突變點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變。同時x的增大使得系統(tǒng)磁性增強(qiáng)，當(dāng)摻雜量增加到x=0.12時，原胞磁矩突變?yōu)?.143μB，系統(tǒng)產(chǎn)生