二维层状材料拉曼超导特性的数值计算研究

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近年来,二维层状材料由于其丰富的物理特性,比如超导特性;力学,热学,电学,光学上的各向异性等倍受研究者关注。我们知道结构决定性质,实验上,拉曼谱仪是探究材料结构,对称性等信息的有力武器。理论上,我们可以利用第一性原理计算结合群论对称性分析方法研究材料的拉曼,与实验相辅相成来获取材料的物理特性。二维层状材料中的物理特性之一超导特性广泛受科学界的关注,也是我们本论文感兴趣的方面。论文主要包括以下几个部分:  在第一章中,我们简要概述层状材料,拉曼,常规超导,第一性原理等与论文有关的背景知识,基本物理概念,物理理论模型以及处理问题的方法。  在第二章中,我们通过第一性原理计算结合群论知识系统研究了低对称结构二维层状材料二硫化铼从单层到体的晶格振动拉曼谱。我们理论计算的晶格振动拉曼模式和实验上测得的拉曼谱比对的非常好,说明对于这个低对称层状材料实验拉曼谱结合第一性原理计算方法可以作为一个强有力的工具来研究材料的结构以及对称性,振动等特性。同时我们发现这个低对称材料中体原胞只含有一个单一的原子层,导致低频拉曼模的不存在。从体到单层,拉曼频率移动很小(≤1.0cm-1)并且没有表面重构表明了这个层状材料中非常弱的层间相互作用。  在第三章中,我们结合第一性原理计算和群论对称性分析系统研究了二维层状材料黑磷少层包括单层以及体的拉曼谱。我们结合范德瓦尔斯力修正的计算方法以及低频拉曼频率随厚度变化的迁移情况,发现在黑磷中层间范德瓦尔斯力是非常强的。此外,随着层数的增加,位于460cm-1附近的A;拉曼模(且实验拉曼谱上可观测到)个数增加;对应的本征矢量会从单层的面内面外耦合振动逐渐变为多层的面内振动。面内磷-磷键的共价键力远强于面外的范德瓦尔斯力和面外翘起的磷-磷共价键力,带来面内振动频率远大于面内面外耦合振动频率,使得增加的A2g拉曼模频率差异高达10cm-1以上。这么大的频率差异很可能在实验上被探测到,从而用来识别层的厚度。  在第四章中,我们主要利用群论知识分析了二维半金属层状材料二锑化钨零压下的拉曼特性,识别了二锑化钨中所有的拉曼模。我们的理论拉曼计算结果很好的重复了实验拉曼测试结果。同时理论计算显示,随着对二锑化钨加压的增加,晶格参数逐渐减小,轨道间杂化增强,金属性增强,费米面的电子空穴尺寸增大,同时更多的能带穿过费米面,费米面态密度增加。此外,对二锑化钨加压带来声子谱上移,德拜温度增加。这些因素可能会使二锑化钨进入超导相。我们的理论计算预测进一步被实验观测所证实。  在第五章中,我们通过第一性原理计算研究了二维层状超导材料LaO0.5F0.5BiSe2的电声子特性。我们发现和LaO0.5F0.5BiS2非常相似,这个层状材料的费米面在波矢→k=(π,π,0)处存在很强的嵌套特性,但是并不会导致电荷密度波。声子谱上(π,π,0)附近小的虚频只是原子量子零点运动的结果。我们计算得到的电声子耦合常数和超导温度可以很好的比对实验结果,合理的解释了LaO0.5F0.5BiSe2超导的电声子机制。  最后一章,我们做了一个简要的总结与展望。
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