鋨及其化合物低壓縮性和反常-自旋霍爾效應(yīng)的第一性原理研究.pdf

1、超硬材料一直是高壓科學(xué)研究的重點(diǎn)，而反常/自旋霍爾效應(yīng)是最近電子自旋學(xué)研究的熱點(diǎn)。本文基于密度泛函理論上第一性原理計(jì)算，主要研究了過渡金屬鋨與其化合物的在高壓下的物理力學(xué)性質(zhì)、鐵磁材料CuCr2Se4-xBrx的內(nèi)稟反常霍爾效應(yīng)以及半金屬鉍的內(nèi)稟自旋霍爾效應(yīng)，并取得了如下成果： 1.本文考慮了鋨的自旋－軌道耦合作用，研究了在高壓下鋨的狀態(tài)方程、晶格參數(shù)和電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明：過渡金屬鋨具有很高體變模量(395GPa)，但仍不

2、超過金剛石。自旋－軌道耦合作用將會(huì)使計(jì)算結(jié)果有所減小(383GP)。實(shí)驗(yàn)上提出的在25GPa的同構(gòu)相變(軸間比c/a的反常)沒有得到目前計(jì)算支持。通過分析有無包含自旋－軌道耦合作用兩種情況下鋨的能帶結(jié)構(gòu)、費(fèi)米處的態(tài)密度和狀態(tài)方程直到150GPa，都沒有發(fā)現(xiàn)電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。 2.本文研究了過渡金屬化合物OsB2和OsO2的金紅石相、黃鐵礦相與螢石相三種結(jié)構(gòu)在高壓下的狀態(tài)方程和結(jié)構(gòu)特性，以及OsO2可能的高壓相變。理論計(jì)算結(jié)果支持O

3、sB2與OsO2的螢石相是潛在超低可壓縮性的硬性材料。同時(shí)，也分析了它們的電子結(jié)構(gòu)，力求理解大體變模量和高硬度的微觀機(jī)制。結(jié)果表明可以利用過渡金屬高的價(jià)電子濃度，摻入硼、氧、碳、氮等輕的元素形成強(qiáng)的方向鍵，這可能提供了一種合成超硬材料的新途徑。 3.本文系統(tǒng)研究了過渡金屬鋨的硼化物OsB、碳化物OsC、氮化物OsN分別以WC、NaCl、CsCl和ZnS四種相的結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)特性和彈性穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果顯示僅OsB(WC)、OsC

4、(WC)、OsB(CsCl)和OsC(ZnS)四種相在力學(xué)上是穩(wěn)定的，而且都不是超硬材料，這是不同于以前的預(yù)測(cè)。通過比較六角WC結(jié)構(gòu)的系列化合物OsB、OsC和OsN，發(fā)現(xiàn)彈性模量與剪切模量的變化趨勢(shì)是完全不同的。這表明硬度和不可壓縮性的本質(zhì)源是根本不同的：前者是由所成鍵的性質(zhì)決定的，而后者是由價(jià)電子濃度密切相關(guān)的。 4.為了闡明反常霍爾效應(yīng)本質(zhì)源，非常需要連續(xù)調(diào)節(jié)研究體系的參數(shù)。通過第一性原理定量計(jì)算CuCr2Se4-xBr

5、x的反常霍爾電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)上觀察到的但沒能解釋的與Br摻雜相聯(lián)系的符號(hào)改變完全是反?；魻栃?yīng)貝里相機(jī)制的直接證據(jù)。在Br不斷地部分替代Se引起體系的雜質(zhì)散射率變化幾十倍的整個(gè)摻雜范圍內(nèi)，系統(tǒng)計(jì)算很好地解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而且理論計(jì)算進(jìn)一步預(yù)測(cè)新的符號(hào)改變，等待將來的實(shí)驗(yàn)去檢驗(yàn)。 5.本文研究了自旋－軌道耦合與軸向應(yīng)變對(duì)半金屬鉍的電子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而定量計(jì)算了鉍的內(nèi)稟自旋霍爾電導(dǎo)率。自旋－軌道耦合作用與軸向應(yīng)變作用對(duì)鉍的電子結(jié)構(gòu)都有