/ / / / / / /  
重要成果

 

发表文章

 

获奖专利

 

计算材料科学


研究内容


以揭示新型功能材料结构和物性为目标,发展高精度的电子、原子的理论计算方法和计算程序,研究纳米体系的结构和输运特性,对强场下材料物性进行模拟和性能预测。


代表性成果


本年度我们主要研究了储氢材料及机理、压力效应、强关联电子体系、轨道化合物新性质与多轨道体系中金属-绝缘体转变、多轨道关联电子体系、超导电性与铁基超导体的超导微观机理、层状三角格子体系的电荷密度波、自旋密度波与超导电性的相互影响等。在轨道物理、超导强耦合理论、团簇物理化学、量子输运、二维经典系统的静态和动力学性质、断带半导体量子阱中谱学特性等方面做了一系列的探索,特别是在编写分子自旋电子输运程序方面有所突破,为尽快实现使用具有更多功能和具有自主知识产权的计算程序做了充分的准备。

一、新材料设计

1、储氢材料及机理研究

研究发现,碳管带电可以增加Li对氢气分子的吸附能,当碳管带两个单位的电荷时,Li原子对氢分子的吸附能可以满足室温储氢的标准,室温环境中单个Li离子最多可以同时吸附两个氢气分子。在Li2C2H4+与TiC5H5+两种复合物中,金属与C2H4+,C5H5+分子的结合能不但增加了很多,而且吸附氢分子的数目也得到提高(图29)。Li2C2H4+的储氢量达到了27.5wt%,比Li2C2H4的储氢能力增加了将近一倍。这也是目前为止最高的储氢密度。该工作已经被Microelectronics Journal、Physical Review B、Journal of Chemical Physics、Chinese Physics B接收,即将发表。

图29 最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道

2、超硬材料的设计

超硬材料一般满足以下几个特点:高的价电子密度,强的共价键,原子排列构成三维网络,小的弹性各向异性等。通常,设计超硬材料,我们从两个物理量来判定:高的块体模量和剪切模量。利用这一标准,我们研究了部分过渡金属氧化物、氮化物和硼化物的力学和动力学性质。首先我们对可能的结构进行了单点能计算,通过比较焓给出最稳定的结构。进一步,我们研究其弹性特征,计算弹性常数和弹性模量。最后讨论弹性各向异性特征。结果表明:过渡金属二氧化物不是超硬材料;ReN和ReB,可能是新型的超硬材料。相关研究结果发表在International Journal of Modern Physics C, 19 (2008) 1269,Chinese Physics Letters, 25 (2008) 4086上。

图30 晶格常数随压力的变化规律International Journal of Modern Physics C, 19 (2008) 1269。

3、B和N掺杂引起的不同的自旋极化效应

研究发现,在靠近自旋向上一侧的同一位置掺入B或掺入N,将对这一侧的磁矩产生相同的影响,而另一侧的磁矩则无变化(图31)。对输运的影响则截然相反(图32),掺入B时,自旋向上的电流大于自旋向下的电流,掺入N时,自旋向下的电流大于自旋向上的电流。原因是,掺入B(掺入空穴)或掺入N(掺入电子),使得中心区的自旋向上和自旋向下的能级的简并解除,且自旋向上的能级高于自旋向下的能级。掺入B(掺入空穴)使得中心区费米能级移动至价带中自旋向上的能级上,从而增大自旋向上的电子的透射。掺入N(掺入电子)时,费米能级上移到导带中自旋向下的能级上,从而增大自旋向下电子的透射。相关研究结果已经被Journal of Physics: Condensed Matter、Acta Physica Sinica接收发表。

4、杂质引起的输运增强效应

一般来说,杂质的存在总会引起散射作用,使得体系的透射降低,电流减小。但是我们发现,在上面提到的体系里,掺入杂质(比如N)后,体系的总的电流增加(图33),我们发现这种增加的原因是:有限偏压下,电流是通过电子从一边的价带到另一边的导带的透射而形成的。掺入杂质后,使得费米能级上移到导带中自旋向下的能级上,从而增大了自旋向下电子的透射。而没有掺杂时,中心区在费米能级处没有能级存在,所以电子透射小。因此,中心区在费米能级处的局域态使得掺入杂质后有限偏压下透射更强,电流更大。相关研究结果发表在Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 045225、Nanotechnology, 19 (2008) 155401上,被Microelectronics Journal、Journal of Physics: Condensed Matter、Acta Physica Sinica接收,即将发表。


5、压力下Mn掺杂Ge稀磁半导体的研究

我们研究了Mn掺杂Ge基稀磁半导体在压力下的行为。我们的研究结果显示,Mn掺杂Ge基稀磁半导体的晶格长度将随着Mn原子掺杂浓度的增大而增大。Mn原子的磁矩会随着外界压力的增大而减小(图34),而Ge原子被反向极化的磁距却基本上不变。在整个压力范围内,Mn原子之间的相互作用一直是Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用,而外界压力的存在,会增加这一相互作用的强度,同样Mn掺杂Ge基稀磁半导体的温度会随着外界压力的增大而增加。相关研究结果发表在Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 045214、Journal of Physics: Condensed Matter, 20 (2008) 295221,被Journal of Applied Physics接收,即将发表。

6、单层石墨(monolayer grapheme)量子和输运电导率的研究

我们从理论上研究了单层石墨的电输运性质,利用半经典理论计算了单层石墨体系的输运和量子电导率(图35)。理论研究同时考虑到了衬底层带电杂质和石墨层带电杂质的散射作用,利用无规项近似(RPA),研究了输运过程中电子-电子屏蔽相应。我们还进一步研究了温度对单层石墨电导率的影响,得到了非常简洁的输运公式。研究表明,这种理论能够很好的理解和解释这种单层石墨体系的输运性质,和已经发表的实验结果非常符合。此外对质子辐射下的石墨样品的氢原子替位掺杂构型进行了动力学局域振动模式的计算,提出对局域振动模式的频谱位置及峰强度进行测量可以评估实际样品中杂质类型及其含量。目前正在根据实验情况,从更全面的杂质类型及杂质原子扩散行为方面进一步地完善计算数据。相关研究工作结果发表在Physical Review B, 77 (2008) 235402,并被Acta Physica Sinica接收,即将发表。


二、强关联电子体系

1、强关联电子体系的轨道化合物新性质与多轨道体系的金属-绝缘体转变

我们研究了非谐次效应对Cs2AgF4和KCuF3中晶格畸变、轨道序和磁性的影响。基于超交换相互作用和杨-特勒效应,利用我们发展的团簇自洽平均场同时自洽确定晶格畸变的方法,研究了新型的层状材料Cs2AgF4材料中的铁磁性的起源和轨道序问题和一维磁性材料KCuF3体系的晶格结构、自旋序和轨道序。获得了Cs2AgF4材料中的磁相图,证明非谐次杨-特勒畸变在Cs2AgF4体系中对铁磁起源起着重要的作用。同时发现在KCuF3体系中的a-型和d-型晶体结构是能量简并的,并相当好地解释了实验发现的磁序和磁矩大小。获得了磁有序和轨道序化合物KCuF3自旋波和轨道波的的波谱特征在强磁场的特征。论文已经被Chinese Physics B接收。我们用动力学平均场方法研究了三角晶格中两轨道Hubbard模型的金属-绝缘体转变。发现洪特相互作用导致了金属-绝缘体转变为一级相变(图36)。提出了电荷涨落判据能很好的判断洪特耦合较大时的金属-绝缘体转变特征。该工作发表在Physical Review. B, 77 (2008) 125117上,并被Journal of Physics: Condensed Matter接收,即将发表。

图36 Hund耦合J越大,<C2>在Mott转变点的变化越显著。Physical Review. B, 77 (2009) 125117。

2、多轨道关联电子体系的超导电性与铁基超导体的微观机理

(a)提出在非对称的多轨道t-J模型中,存在一个非常新奇的超导相-即轨道选择的超导相(图37),利用该图像解释了CeCoIn5中的反常超导性质,并提出在铁基超导体中可以存在这种新奇的量子相。相关研究结果见 arXiv:,已经投向 Phys. Rev. B。(b)目前铁基超导体的超导机理和超导对称性现在还处在争论之中。我们提出反铁磁涨落是产生超导的原因,在t-t’-J-J’模型基础上,得到了这个模型的超导相图,以及能隙与温度的关系。发现体系的超导对称性是d(x2-ηy2)+S(x2y2)波,得到了一个近似各项同性的超导能隙。这和角分辨光电子谱(ARPES)的实验结果是一致的。(c)从两轨道的Hubbard模型出发,发现层状LaOFeAs体系中的条纹状反铁磁型自旋密度波来自费米面的嵌套矢量和相互作用,而此时体系基态处于金属相,同时很好解释了体系的磁矩和其它磁学性质。(d)利用第一原理的TB-LMTO方法发现LaOFeAs费米面附近态密度贡献主要来源于Fe-As层,且Fe的3d带与As的4p带存在较强杂化。并计算了Fe-As间的跳跃积分,为进一步的理论和数值模型计算提供了参数。(e)采用VASP并WIN2K的计算方法,从理论上设计了两类可能具有高于室温的新型铁基超导体,获得了两个体系的稳定晶体结构和电子结构。

图37 随着晶场的增加导致的能级非对称性增大,双轨道体系会出现新的轨道选择的超导量子相。

3、层状三角格子体系的电荷密度波、自旋密度波与超导电性的相互影响

(a)三角反铁磁的AgNiO2具有反常的基态性质,为了解释这一现象,我们采用基于密度泛函的TB-LMTO方法研究了2H-AgNiO2电子结构性质。通过比较可能的基态磁结构,证实实验观测到的条纹状反铁磁为基态磁结构。通过不等价Ni原子的投影态密度(P-DOS)分析,证实了实验观测到的电荷序结构和电荷序作为另一种非Jahn-Teller效应导致的轨道简并度解除。(b)用超单胞方法计算了CuxTaS2电子结构性质。计算结果表明,较未掺杂的2H-TaS2,掺入微量的Cu后,可看出费米面体积和载流子浓度略微增大,抑制了体系的电荷密度波涨落,有利于超导形成。(c)利用双交换模型对磁有序化合物NaMnO2的基态性质进行了探讨,研究了NaxMnO2体系随着x取值的不同磁序会经历一个从条纹状(striped)反铁磁到铁磁序的变化(图38)。相关研究结果发表被Journal of Physics: Condensed Matter接收,即将发表。


4、超导强耦合理论

(1)完成了包括顶角修正后的Tc三维地图,发现了超导不稳定性首先发生在强库仑作用的区域。同时我们结果证明了顶角修正最强的区域接近电声子耦合参数?=2.0区域。这与通常的理解不同,通常认为?越大顶角修正就越强。我们结果也证明顶角修正并不总是减小Tc,在高声子频率和强电声子作用的区域正顶角修正也是可能的。(2)比较了强耦合理论的计算结果与McMillan、Allen Tc公式的结果,发现两个公式的相对误差随?减小而增加,但绝对误差随?减小而减小。如果?小于0.2强耦合理论给出Tc几乎为零,但McMillan公式给出有限值。所以我们的计算表明,对于弱耦合Tc却需要强耦合的精确计算,但对于强耦合McMillan和Allen公式给出较好结果。

(3)基于Allen's Tc公式, 重新推导同位素效应公式。并把其计算结果与基于McMillan公式的同位素效应公式和强耦合计算结果比较。同时应用数值方法解薛定额方程,求出了非简谐振动系数与原子所感受到地势阱形状的关系。相关研究结果发表在Surface Review and Letter 15, 567 (2008),Chinese Physics Letter 25, 2217(2008),Physica C (2008)接收发表上。


 


 
Copyright @ 中国科学院固体物理研究所 Inc. All rights reserved.