新超導體的超導電性和低維量子體系的輸運性質研究.pdf

1、單層石墨作為新型的二維納米功能材料，具有優(yōu)異的晶體結構和電磁性質，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)現反常的量子霍爾效應以后，人們在雙層石墨中發(fā)現另一種反常的量子霍耳效應。實驗報道通過對雙層石墨外加電場或者進行化學摻雜，能有效控制其帶隙寬度。最近實驗上新報道強磁場下單層石墨中存在異常的能斯特效應。在高溫下，橫向溫差電導率αxy趨向于與磁場、溫度無關的普適常數。所有這些結果都有助于更深入的理解納米結構材料的量子輸運特

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

3、雙層石墨的量子霍爾效應及雜質散射的影響。在雙層石墨中，實驗上發(fā)現的反常電導率量子化規(guī)律僅出現在帶心附近，并滿足σxy=(2e2/h)N,Ⅳ=±1,±2…（不計自旋）。這里沒有σxy=0的霍爾平臺。隨著雜質散射強度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。當散射強度增大到w=3.2時，所有的量子態(tài)消失，系統完全進入絕緣相。在偏壓雙層石墨中，由于價帶與導帶間存在帶隙，使得Dirac點原本高度簡并的朗道能級發(fā)生分裂，因

4、而出現σxy=0的霍爾平臺。當雜質散射增大到中等強度w=2.0時，價帶與導帶間的帶隙消失，帶心的零平臺被破壞，系統出現金屬相。(2)單層石墨在強磁場下的能斯特效應。我們發(fā)現橫向溫差電導率α.y是溫度與中心朗道能級寬度比值的普適函數，并隨著溫度的變化展現出不同的漸進行為。低溫下，當溫度和費米能量遠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，當溫度與中心朗道能級的寬度大小相當時，αy趨近一個與磁場、溫度無關的普適常數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。這些均與最新的實驗結果相一致。
　　 在第二部分，我們應用第一性原理和線性響應的方法研究了一系列新型超導材料的超導電性。我們通過計算其電子譜、聲子譜及電聲子耦合常數，研究超導電性與原子尺寸、晶格的排序和結構的關系。我們的創(chuàng)新工作是：(1)MgB2晶格平面拉伸對超導電性的影響。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，電聲子耦合強度λ和聲子對數平均頻率ωln增強，因此超導轉變溫度Tc可提高到41.26K。計算結果能很好的解釋在SiC上生長MgB2薄膜提高超導轉變溫度以及MgB2超導轉變溫度的負壓力效應。(2)三元硅化物MAlSi(M=Ca,Sr)的超導電性與原子排列序的關系。根據實驗報導的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的超導電性，用虛晶近似模型研究

7、SrAlSi的超導電性，得到以下結論：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)都沒有出現虛頻，晶格結構穩(wěn)定。計算的聲子對數平均頻率ωln＝147K，電聲子耦合常數λ=0.8，因此CaAlSi的超導電性可用提高的中等耦合的BCS理論來解釋。SrAlSi中Al和Si原子在平面內無序分布。用虛晶近似模型計算得到的聲子對數平均頻率ωln=188K

8、，電聲子耦合常數λ=0.57，可用弱耦合的BCS理論來解釋其超導電性。我們的模型能夠解釋實驗結果。(3)空穴摻雜MgCNi3的超導電性和磁性。在Mg1.xNaxCNi3(0≤x≤0.5)中，隨著摻雜量x的增大，系統的總能量增高，晶格結構趨向不穩(wěn)定狀態(tài)。當摻雜量增加到x=0.12時，體彈性模量及其對壓力的一階導數出現突變點，系統發(fā)生結構相變。同時x的增大使得系統磁性增強，當摻雜量增加到x=0.12時，原胞磁矩突變?yōu)?.143μB，系統產生