基于电子状态密度研究材料的高压相变与超导转变

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在研究高压相变的理论中,最常被用到的判据当属经典的热力学判据。追溯到相变的本质,母相总是朝着自由能更低的新相转变。经典相变热力学判据正是根据状态参数的n阶导数是否不连续来预测相变发生与否,但多阶导数的连续性验证在一定程度上增加了相变判断的难度。在高压相变中,当温度一定时,吉布斯自由能的求解主要集中在对焓值的计算上。当两相的焓值随压力的变化而出现交点时,即认为交点所在为相变压力点。在本研究中,作者尝试在高压相变的判断中引入一个新的视角:电子状态密度。首先选用一个系列的过渡金属二硫族化合物(TMDs)作为研究样本,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了六种TMDs的2Hc相和2Ha相的焓和电子态密度在不同压力条件下的变化规律。Mo S2、Cr S2和WS2分别在16.1 GPa、42.2 GPa和76.7 GPa时出现了焓值交点。对于这三种物质2Ha相费米能级附近的电子态密度分析,又恰好分别在这些压力点处观测到了DOS曲线的反常偏移。由此,我们提出了一种基于电子态密度来判断相变的新判据——海螺判据。新判据在与热力学判据相互印证的同时,可以从热力学性质以外的另一个角度观察相变的发生。此外,海螺判据有一个不同于其他相变判据的特征,其仅需从新相的物理性质就能追踪出相变压力点。本文利用这一特性,计算了HP2-Cu2S、B2-Pb S、B2-Pb Se和B2-Pb Te在不同压力下的电子状态密度。这几种晶体的共性在于其相变母相的晶体结构数据均未知,在这样的前提条件下,海螺判据仅根据新相的态密度曲线即成功验证了其在实验中所测得的相变点。最后,作者将这一视角聚焦于与高压密切相关的超导相变中。以Hg和Zr Te3这两种典型超导材料为研究样本,采用第一性原理分子动力学模拟计算了它们在不同压力下随温度变化的电子态密度。结果显示相对于其他温度区间,DOS在超导临界温度附近表现出更为明显的变化波动。从而展开了对分波态密度的进一步分析,并成功捕获了导致Hg和Zr Te3发生超导相变的主要诱因。同时,通过对Zr Te3不同压力下原子随温度的运动路径研究,分析推测出了压力有效提升超导转变温度的微观机制。
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