MedeA案例二十二:在超导材料中的应用-新型三元镧系元素氢化物的热稳定性和电子结构的预测

2016-12-30 16:43:41 来源:源资科技市场部

新闻摘要:对大多数含有二价阳离子的三元镧系元素氢化物例如Yb、Tm,LnH2通常在形式上用做作路易斯酸,从而接受来自强碱(CsH)的氢化物阴离子。由于这些化合物都具有f轨道且它的4f轨道较大的电子密度基本上都在费米能级附近,另外这些三元镧系元素氢化物对于电子和磁学性质的空穴、电子掺杂影响都可以促进科研人员对于超导材料的研发。


1. 研究背景
      对大多数含有二价阳离子的三元镧系元素氢化物例如Yb、Tm,LnH2通常在形式上用做作路易斯酸,从而接受来自强碱(CsH)的氢化物阴离子。由于这些化合物都具有f轨道且它的4f轨道较大的电子密度基本上都在费米能级附近,另外这些三元镧系元素氢化物对于电子和磁学性质的空穴、电子掺杂影响都可以促进科研人员对于超导材料的研发。


2. 建模及计算方法
      在本案例中,作者采用Welcome to MedeA Bundle中的InfoMaticA数据库模块搜索并创建了三元镧系元素氢化物的模型。然后,再用MedeA-VASP模块对四个三元镧系元素氢化物CsLnIIH3和Cs2LnIIH4(LnII=Yb,Tm)进行结构优化及电子能带结构计算。最后,采用MedeA-Phonon模块计算三元镧系元素氢化物的声子的色散谱、态密度和与振动相关的热力学函数。


3.计算结果与讨论
3.1 晶体结构
      作者通过MedeA-VASP模块对这些三元镧系元素氢化物进行结构优化并且计算了其结构的晶格常数。表1是利用GGA-PBA泛函计算了优化后的四个了三元镧系元素氢化物的晶格常数,并同时计算了将它们的类似物CsCaH3和Cs2CaH4的晶格常数,将其计算模拟值和相关的实验数值进行了对比,发现实验值和该泛函的计算值的误差较小,从而确定GGA-PBA的泛函较为适合该体系的研究。

表1 结构优化后的四个三元镧系元素化合物的晶格常数

 

  由表1可得CsYbH3的晶格常数是4.609,其和实验测得的CsYbF3的晶格常数4.61相当吻合。事实上,已有文献报道,相同配比的氟化物和氢化物具有相似的晶体结构。对于CsTmH3,TmII的环境被预测为理想的八面体结构。对于Cs2YbH4,关于YbII的八面体配位的预测值有轻微的偏差,Ln-H具有2.305Å 的键长,而两个较短顶点距离是2.301 Å。这个作用对于具有铁磁(f13)性质的Cs2TmH4影响更为明显。计算结果表明,这些Ln的金属化合物容易实现电子掺杂。


3.2电子结构
      图1列出用MedeA-VASP计算的关于这四个三元镧系元素氢化物的能带结构以及电子态密度,由图可以得出Cs/Yb(Tm) 氢化物的能带结构包括:1)关于Yb (Tm) 的5s2(大约-52ev)和5p6(大约-24ev)以及Cs 的5s2(大约-23ev)和5p6(大约-10ev)都是在非常窄的填充子价带中;2)在-6到-2.5eV是一个填充的“氢化物带”;3)一条很窄的4f价带和一系列宽的价带构成导带。

 

图1  关于CsYbH3(左上)、CsTmH3(右上)、Cs2YbH4(左下)、Cs2YbH4(右下)结构的能带结构和态密度

  另外,图2列出了用MedeA-VASP计算关于这四个三元镧系元素氢化物费米能级处的电荷密度,由图可得出结论,在费米能级处的电荷密度主要由局部的4f电子组成,而非H 1s态。

 
 图2  CsYbH3(左一)、CsTmH3(左二)、Cs2YbH4(左三)、Cs2YbH4(左四)费米能级处的电荷密度(蓝色)


3. 3 声子性质
      为了更好的促进对于超导材料的研究,研究者采用MedeA-Phonon模块对CsYbH3声子的能带结构和态密度进行了一系列的研究(图3)。由于CsYbH3的单胞有5个原子,因此它有15个自由度,12个振动和3个平移。有图3(左)可见在光谱的最高频率范围(30.9-37.7 THz,128-156 meV,1030-1260 cm-1)中看到三个声子能带,对应于Yb-H 这个化学键的振动模式。在光谱的中等频率范围中(11.0-21.9 THz,46-90 meV,370-730cm-1)可以看到其他六种振动模式,这些是Ln-H-Ln 的弯曲模式。最后一组三个声子的振动是集中在低频(3.07 THz,13 meV,120 cm-1)区域,这些是晶格的变形模式,主要是由于重元素(Yb,Cs)的贡献。

 

图3   CsYbH3的声子色散曲线(左)和声子态密度(右);H、Yb、Cs对于声子态密度的贡献分别由黑色、红色、蓝色线所表示


4总结与展望
      在本篇文献中,作者对四个三元镧系元素氢化物的几何结构、热力学性质、电子结构以及声子谱进行了系统的密度泛函理论的研究。文章中所讨论的三元镧系元素氢化物(YbII、TmII)的晶体结构可以创造关于从金属到绝缘体转变附近的新相的电子和磁学性质的可能性,从而为超导材料CsLnIIH3和Cs2LnIIH4的研发提供了理论基础。


使用MedeA模块: 
Welcome to MedeA Bundle
MedeA-VASP
MedeA-Phonon

【责任编辑:(Top) 返回页面顶端
Copyright © 2008 - 2020 Tri-ibiotech.com All Right Reserved. | 备案许可证: 沪ICP备11020704.