文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
铁基化合物和锰铬化合物的超导电性及磁性的第一性原理研究
姓名:刘娟
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:姚凯伦
2011-05-26
华中科技大学博士学位论文
摘要
高温超导是指材料在某个相对较高的临界温度 Tc>30K(-℃),电阻
突降至零的现象。从上世纪 60 年代到 80 年代,人们一直认为超导的相变温度
不会超过理论预言的 30K。直到 1986 年,IBM 的研究者 Karl Müller 和 Johannes
Bednorz 发现了第一种高温超导材料——镧钡铜氧化物。次年,他们因此获得
诺贝尔奖。2008 年,日本科学家发现了铁基超导体。物理学界认为这是高温超
导研究领域的一个“重大进展”。
铜基超导的机制目前尚不明确,需要进一步的讨论和研究,但到目前为止
能够达成共识的有几方面:未掺杂的母体材料具有反铁磁基态,超导出现在掺
杂以后。导电性主要来自 Cu2+离子的 dx2-y2 轨道,这意味着在铜基超导体中电
电相互作用比电声相互作用更重要,它与传统的超导材料不同。对反铁磁基态
费米表面的研究发现在布里渊区中四点产生了费米表面的嵌套现象,这几点超
导能隙增大,证实自旋密度波的存在。与传统的符合 BCS 理论的超导材料相比
在铜基超导中发现了弱的同位素效应。与铜基超导材料相似,铁基超导材料在
低温下也出现反铁磁磁序,并且伴随着四方相到斜立方相的结构相变。但是,
低温下它们不是 Mott 绝缘体而是导电性差的坏金属。其超导相变温度 Tc 对
Fe-As-Fe 键角很敏感,实验证明最理想的 Tc 值出现在 FeAs4 四方晶格没有被扭
曲的环境下。对其波函数的宇称对称性存在争议,主流的观点是扩展的 s 波图
景。
通过对铁基超导母体材料进行电子空穴掺杂和利用高压合成技术, 其超导相变
的临界温度已提高至 56K。根据中子衍射研究表明,多数母体材料具有反铁磁性,
并且其中有不少具有较为复杂的非线性磁结构。通过化学掺杂或者高压实现的超导
往往抑制了材料的磁序,因此,这些材料的磁性与超导关系密切,搞清楚这些超导
材料磁性的性质和来源显得尤为重要。
本文采用基于全势线性缀加平面波方法的 WIEN2k 程序包和计算非线性磁螺旋
磁结构的 WIENNCM 程序包计算了铁基超导母体材料的磁结构和电子能带结构。具
体研究了铁基超导母体 PrFeAsO, CeFeAsO, NdFeAsO 的结构、磁性和超导电性。另
外,本文还研究了两个混合价铁硫化合物的结构,磁性和电子性质。具体内容如下:
I
华中科技大学博士学位论文
CeFeAsO 的非线性磁基态。铁基超导材料自发现以
来引起了广泛的关注,到目前为止国内外很多课题组对其进行了密度泛函理论计算
和电子结构的研究,但这些研究都集中关注铁的磁性,对稀土元素的磁性探讨很少。
有大量的课题组对 LaFeAsO 进行电子结构的计算,而对于其它的铁基母体材料
CeFeAsO,PrFeAsO, NdFeAsO,SmFeAsO,GdFeAsO 等的理论方面的研究极少。实
验研究表明在这一系列的“1111”型铁基超导材料中,LaFeAsO1-xFx 具有最低的超
导相变温度 26K,这些材料的超导相变温度随稀土元素离子半径的增大而增加。因
此,提供包含稀土元素磁矩母体材料的电子和能带结构以供实验对比是非常有意义
的事情。在对 CeFeAsO 的研究中我们得到 Ce 的计算磁矩为 ,与实验值
(2)μB 一致。而在加入自旋轨道耦合作用时Ce 的轨道磁矩会随内部磁场的不同而
改变方向,所以如果考虑自旋轨道耦合作用,CeFeAsO 内 Ce 的磁矩出现两个不同的
值。一个是与实验值很相近的 μB, 另一个是 ,这种情况实验上还
未曾观察到。为了跟 CeFeAsO 的研究结果进行对比,我们还计算了 PrFeAsO 和 NdFeAsO
的磁矩,Nd 和 Pr 的磁矩都为实验值的两倍。这说明 CeFeAsO 与 PrFeAsO、NdFeAsO
的磁性有很大差异。在所计算的这三个材料中,铁的磁矩都大于 ,远高于实验
值。Fe 磁矩较小的实验观测值被认为是源自费米表面的嵌套和自旋密度波的存在。
另外,能带结构和态密度结果表明 Ce-4f 电子和 Fe-3d 电子对费米面作主要贡献。
在Γ(0, 0, 0)点有四条能带穿越费米面,它们在费米表面形成四个空穴型口袋。费米
表面的形状会随 Ce 的自旋方向改变而发生改变,这表明 Ce 的自旋方向对其导电