超导电性研究论文提纲

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论文题目：几种典型材料的超导电性研究

本论文采论文提纲：用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对几种当前研究的热点材料在高压下的电子行为,晶格动力学以及超导电性进行了深入系统地研究。研究结果表明,以下三种体系都是潜在的高温超导体,具有较高的超导转变温度Tc。本文获得了如下创新性成果：(1)“单原子相”金属氢：氢是元素周期表中的第一号元素,它具有比任何元素都简单的电子结构。迄今为止,氢是太阳系中含有的最为丰富的元素,同时在氢分子中也包含有最简单的共价化学键。然而,人们对有关氢体系的情况却知之甚少。直至1935年,Wigner和Huntingdon两人首次提出氢在高压下将发生金属-绝缘体转变的经典预言以来,有关金属氢的研究就成为了高压领域的一个极其重要的研究方向,其中有关其超导电性的研究更是成为研究的热点。本文中我们研究了近来超高压下获得广大科研工作者认同的固体氢的最终结构——“单原子相”金属氢(I41/amd结构),在高压条件下我们计算了“单原子相”金属氢的晶格动力学,发现压强达到802GPa时结构还是稳定存在的。因此,根据传统的BCS理论,我们计算了体系的电子-声子相互作用,结果表明其超导转变温度在102K的量级以上,成为潜在的室温超导体,同时,我们还合理地解释了其超导机制。(2)富氢化合物——硅烷(SiH4)：对实验发现的金属相SiH4进行了晶格动力学研究,结果发现其声子谱存在虚频,意味着这个结构的晶格动力学不稳定。这可能是由于在位X-射线衍射实验难以准确定位结构中氢原子的结构信息。随后,通过软膜相变理论方法预测了一个新的高压相(空间群：Pbcn),并揭示了其产生的物理机制和可能的相变路径。通过分析发现,预测的新结构中的硅原子占位与实验上给出的结构中硅原子占位相同,仅仅是氢原子的占位发生了改变。最后,对所获得的新结构进行全面的物性研究,发现其为金属,且具有较高的超导转变温度Tc,当压强为188GPa时,其值达到16.5K,这与实验测量的结果(17.5K)非常接近。(3)p型掺杂金刚石薄膜：自从实验上发现硼掺杂金刚石具有超导电性(2.3-4K)以来,其为超导和超硬两个科学研究领域提供了一个全新的交叉点,引起了大量科学工作者的广泛关注。随后,人们又从实验和理论上发现硼掺杂金刚石(100)和(111)薄膜具有更高的超导转变温度,其中硼掺杂金刚石(111)薄膜的超导转变温度更高,但有关其超导机制却一直未能给出明确的解释。基于此原因,本文采用虚晶近似的方法成功地模拟了不同硼掺杂浓度下金刚石(100)和(111)薄膜的电子、声子以及电子-声子耦合行为,合理地解释了金刚石(100)和(111)薄膜的超导机制,并近似地给出了不同硼掺杂浓度下体系的超导转变温度Tc值。

摘要4-5

ABSTRACT5-8

第一章绪论8-20

1.1研究物质高压性质的重要意义8-9

1.2声子的稳定性与晶体结构9

1.3声子的稳定性与软膜9-11

1.4超导电性与电子-声子相互作用11-17

1.5本文选题的出发点和意义17-20

第二章理论基础20-40

2.1绝热近似20-22

2.2单电子近似22-24

2.3密度泛函理论(DFT)简介24-40

第三章基于密度泛函理论的第一性原理计算方法40-44

3.1晶格动力学的计算40-42

3.2超导电性T_c的计算42-43

3.3QUANTUM-ESPRESSO软件包简介43-44

第四章"单原子相"金属氢的超导电性研究44-56

4.1引言44-46

4.2计算细节46-47

4.3高压下"单原子相"金属氢的电子结构47-50

4.4高压下"单原子相"金属氢的晶格动力学性质50

4.5电子-声子相互作用和超导电性50-54

4.6本章结论54-56

第五章富氢化合物硅烷(SiH4)的超导电性研究56-68

5.1引言56-57

5.2计算细节57

5.3高压新相预测57-60

5.4寻找相变路径60-64

5.5电子-声子相互作用和超导转变温度T_c的计算64-66

5.6本章结论66-68

第六章硼掺杂金刚石(100)和(111)薄膜的超导电性研究68-84

6.1引言68-69

6.2计算细节69

6.3(100)和(111)取向金刚石薄膜的结构优化69-71

6.4硼掺杂(100)取向金刚石薄膜的超导电性研究71-77

6.5硼掺杂(111)取向金刚石薄膜的超导电性研究77-81

6.6本章结论81-84

总结与展望84-86

致谢86-88

参考文献88-102