关于铁硒超导体物性的第一性原理研究

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铁基超导体尤其是“122”型铁基超导体的发现,引起了人们对高温超导电性机制的研究的热情,但迄今为止,该机制尚未完全探明。与常规超导不同的是,层状结构的铁基超导体,包含被认为对超导电性不利的磁性铁离子,其母体化合物具有复杂的费米面结构。基于对铁基超导体电性的探索,本文利用密度泛函理论基础上的第一性原理对三种“122”型铁基超导材料的结构性质、电子性质和力学性质等进行了具体研究。  首先,计算了KFe2S2、KFe2Se2和KFe2Te2三种超导材料在零压状态下的结构性质、电子性质和弹性性质。计算结果发现,在整个晶体结构中,[Fe2Ch2](Ch=S、Se、Te)阴离子的不同,不仅导致了该结构层的各向异性形变,同时使整个晶体结构产生了各向异性形变,但是不同阴离子位置替代并没有引起费米面附近能带发生剧烈的变化。同时,在零压状态下KFe2Te2的键角Te-Fe-Te是最接近理想正四面体的键角值,随着压力的增大,键角 Te-Fe-Te逐渐偏离了理想的正四面体的键角。电子性质的计算发现,这三种材料的费米面呈相似特征:四条能带穿过费米面,呈现出金属化特征,这些能带主要是Fe3d轨道电子提供。力学性质计算表明三种材料都表现出力学的各向异性。与其他体系超导相同,KFe2S2、KFe2Se2和KFe2Te2三种材料硬度较低,属于软性材料。同时KFe2S2和KFe2Se2表现为脆性,而KFe2Te2却表现为韧性。  其次,计算了高压下KFe2S2、KFe2Se2和KFe2Te2的晶体结构性质、电子性质和弹性性质。在高压下三种材料的结构出现了不同的变化,与 KFe2S2和KFe2Te2不同,KFe2Se2在30 GPa时的Se-Fe-Se键角最接近理想正四面体键角,而其他两种材料KFe2S2和KFe2Te2,在压力的作用下,键角S-Fe-S和键角Te-Fe-Te却越来越偏离理想正四面体值。KFe2Te2材料的结构和电子性质受压力的影响非常明显,可以通过改变压力达到所需要的应用。通过计算压力下KFe2S2、KFe2Se2和KFe2Te2的弹性性质表明,在高压状态下,KFe2Ch2(Ch= S、Se、Te)三种材料的延展性更好,韧性更佳,KFe2S2和KFe2Se2材料也由零压下的脆性变为韧性,有利于材料更好的利用。同时,压力可以增加材料的硬度,使得材料更难压缩,可以增大材料的各向异性。  探索铁基超导电性机制是当前的研究热点,超导材料的电子性质对超导电性有重要的影响,因此研究超导材料的费米面、键角Ch-Fe-Ch和Fe-Ch键特性尤为重要,已经成为理论预测超导转变温度变化的重要方法。由于铁基超导体是层状化合物,存在层内部离子之间的相互作用和层间的弱耦合相互作用,晶体结构对铁基超导电性的影响就是建立在这样的相互作用的基础上的,因此探索常压和高压下不同的晶体结构也对探索铁基超导电性至关重要。
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