金属硫族化合物的高压相变及电子结构的第一性原理研究

论文摘要

过渡金属二硫族化合物是一类新型的准二维材料,这类材料具有可调制的电学、光学性质、良好的化学稳定性和机械柔韧性等特点,因而在二维电子器件、储能材料、催化剂等领域具有广阔的应用前景。另一方面,高压技术是调制材料的晶体结构与电子态的有效手段,被广泛应用于凝聚态物理领域。在本论文中,我们以三种典型的层状金属硫族化合物为例,基于密度泛函理论,研究了层状材料在高压下的晶体结构相变与相关电子结构性质。首先,基于第一性原理计算与晶体结构搜索技术,我们预言了 WTe2在高压下的两种热力学稳定结构,晶型为1T’和2H,对应的热力学稳定压力区间分别为5～10 GPa和10～30 GPa。高压同步辐射XRD实验确认了 1T’-WTe2相的存在,对应的相变临界压力约为4 GPa。1T’结构具有空间反演对称性,因此在常压Td相变为1T’相的过程中伴随着一个电子拓扑相变,由Weyl半金属态变为普通半金属态。电声耦合计算表明,WTe2在高压下的超导相变可能与层间Te-Te原子耦合作用增强导致声子软化有关。同步辐射XRD实验中并没有观察到2H相,相变路径的计算表明这是因为1T’与2H相之间存在较大的相变势垒。紧接着,我们讨论了一种鲁棒的拓扑Weyl半金属态,这种Weyl半金属态受C2T对称性保护,可以在空间反演对称性破缺的非磁材料中实现。如果不考虑自旋轨道耦合,那么这种半金属态包含的Weyl点将携带两个单位的手征荷;在考虑自旋轨道耦合的情况下,这些Weyl点将劈裂为两个手征荷相同的自旋1/2 Weyl点。我们预言了一种原型实际材料——TiS2的高压相（空间群为P-62m）,能够实现上述的Weyl半金属态。在TiS2体系中,相反手征的Weyl点距离很远（远远超过TaAs和MoTe2）,因而这种Weyl半金属态具有鲁棒性。最后,我们讨论了著名的热电材料SnSe在高压下的物理性质的演变。前人的研究表明SnSe在高压下（～10 GPa）会发生连续的晶体结构相变,由常压α结构变为高压β结构。基于第一性原理计算与高压同步辐射XRD,我们发现SnSe在更高压力下（～27 GPa）会由β结构转变为CsCl结构。高压电输运实验表明,CsCl型SnSe存在超导电性,超导临界温度最大值约3.2 K（～39GPa）。此外,电子能带计算表明,CsCl型SnSe可能是一种拓扑节点线半金属,存在拓扑非平庸的表面态。另外,我们还在TaAs,TiS3,LaRu2P2,SrFe2As2等多个相关体系中系统地研究了由压力诱导的结构和超导相变,并得到了一系列有趣的结果。我们的研究表明,高压能有效诱导晶体结构相变与电子结构相变,是合成新材料、实现新奇电子态的重要手段。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陆鹏超

导师: 孙建

关键词: 第一性原理计算,金属硫族化合物,高压相变,拓扑半金属

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O469

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000041

总页数: 124

文件大小: 7253K

下载量: 567

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