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《燕山大学》 2018年
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二元过渡金属化合物亚稳态的第一性原理研究

王步升  
【摘要】:过渡金属化合物具备出众的力学、热学、光学、电学、磁学性质,并表现出独特的协同效应,借助于理论和实验方法,二元过渡金属化合物具有半金属、半导体、超导和热电材料等非凡特性,从而成为无机固体领域的研究热点。通常而言,二元过渡金属化合物在自然界中大多以NiAs相(B81)或MnP相(B31)的形式存在。之前的研究工作主要集中在过渡金属化合物的基态结构及其性质,而对于二元过渡金属化合物亚稳态的研究甚少。本文采用了第一性原理计算方法结合智能结构搜索算法,研究发现了二元过渡金属超导体CrAs在加压条件下发生了磁性相变;设计研究了亚稳态反铁磁CrAs2二维材料,其奇特的节线半金属性质受一种新型对称性保护;研究了 MnTe的磁性和电子结构性质,其亚稳态结构为反铁磁半导体,可作为自旋电子学器件的备选材料。首先,我们研究了常压和高压条件下块体CrAs的晶体结构、磁性以及电子结构性质。通过结构预测方法,得到了常压条件下CrAs的基态结构,双螺旋反铁磁结构的Pnma相。并预测了三种新的亚稳态,分别是反铁磁的P6m2-A型,铁磁的P4/nmm和非磁的P6m2-B型。在加压条件下,CrAs中出现了压力诱导的磁性相变和晶体结构相变。结合超导实验中磁性及晶体结构随压力变化的行为,讨论了磁性相变和晶体结构相变与实验中超导电性存在的关联。其次,设计研究了一种亚稳态的单层反铁磁CrAs2,它是一种新型二维拓扑节线半金属。通过计算其电子结构性质,发现该反铁磁单层CrAs2同时具有type-I和Ⅱ的节线半金属态。通过计算节线半金属态的轨道能带构成,分析了它们形成机制,并通过破坏特定对称性研究了它们的稳定性。其中由类非点式(nonsymmorphic)对称操作保护的节线半金属态是首次在二维材料中被提出,即使在考虑自旋轨道耦合的情况下也不会被打开带隙。为确定节线半金属态的拓扑性质,我们计算研究了节线半金属的边缘态。通过计算剥离能、声子谱以及分子动力学模拟,研究了单层CrAs2结构的稳定性以及在实验的制备可能性。最后,研究了 MnTe 的六种结构 Rocksalt(RS),Cesiun-chloride(CC),Zinc-blende(ZB),Wurtzite(WZ),Iron-silicide(IS)和 Nickel-Arsenide(NA),以及它们磁性和电子结构性质。确定了这六种结构MnTe的结构信息以及磁性,发现NA结构为MnTe的基态,ZB,WZ,RS,IS和CC相MnTe以亚稳态形式存在。其中亚稳态ZB,WZ和基态NA相的MnTe都属于反铁磁半导体,可作为自旋电子学器件的备选材料。此外,我们还计算了其体弹性模量和相变压,研究了在加压条件下MnTe发生的结构相变。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O469

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