芳香碳氢化合物的晶体和电子结构及超导等物性的理论研究

A door of the reseach on the superconductor family of fused ring aromatic hydrocarbons is being opened to us, since the superconductivity of Tc~18K in alkali metals doped picene was observed by the researchers from Japan in 2010. The Tc ʱdependent on the number and distribution of benzene rings, hence, it is hopeful for obtaining the higher superconducting transition temperature in this materials. .Therefore, in this propose, employing these methods of projector augmented wave and full-potential linearized augmented plane-wave within the first-principles, conbining with the density functional perturbation theory, and adopting various exchange-correlation functionals of LDA, LDA+U, and hybrid functional, we plane to study the fused ring aromatic hydrocarbons doped by alkali, alkaline earth ,and +3 valent Al/Ga metals as well as their superconductivity.(1) By studying the doped crystal configurations and stabilities, we are to reveal the realtion between the doping concentration and systemic stability as well superconductivity.(2)By studying the characteristics of electronic structures and magnetism based on different exchange-correlation functional approximations, we are to explore the extents of electronic correlations and magnetic fluctuations as well as the possibly competition between superconductivity and magnetism.(3)By studying electronic structures, phonon spectra, and electron-phonon interaction, we are to seek for new high-temperature superconductor, investigate the contributions of metals to superconductivity, and further reveal the the superconducting mechanism.

2010年日本的研究小组发现碱金属掺杂的苉具有Tc～18K左右的超导转变温度，这为我们开启了一扇稠环芳香烃碳氢化合物超导家族研究的大门。研究发现Tc强烈地依赖于体系中的苯环数和苯环的空间构型，所以期待在这类有机体系中获得新的高温超导材料。.在本项目中，我们将利用第一性原理的投影缀加波和全势线性缀加平面波方法，结合密度泛函微扰理论，采用LDA、LDA+U和杂化泛函等不同的交换关联能近似，研究碱金属、碱土金属和正三价铝镓等金属掺杂的芳香烃碳氢化合物及其超导电性。(1)研究掺杂后的晶体结构和稳定性，揭示掺杂浓度与体系稳定性和超导电性的依赖关系；(2)研究不同交换关联能近似下的电子结构和磁性特征，探讨掺杂体系中的电子关联和磁涨落强度以及可能的磁与超导的竞争；(3)研究金属化的掺杂体系的电子结构、声子谱和电-声相互作用，寻找新的高温超导体，探索金属掺杂对超导的贡献，并进一步揭示超导机理。

有机化合物是潜在的高温超导材料，2010年，实验发现掺杂的苉具有18 K的超导电性，这开启了研究芳香化合物超导现象并揭示高温超导机理的新方向。本项目，我们开展了掺杂芳香化合物的晶体、电子结构、磁性、电子关联效应、压强效应、新超导体预测以及超导机理等方面的研究：（1）给出了不同环数体系的掺杂晶体特征、杂质原子的位置、电子结构变化和热力学稳定性评估。（2）对芳香化合物直接加压，不掺杂，实现了非电荷转移的超导转变。最简单的芳香化合物----苯，在加压下具有超导电性，在195 GPa时超导转变温度可达19.2 K；另外，三亚苯、苉和红荧烯分别在180 GPa、60 GPa和70 GPa时可实现绝缘体-金属转变。（3）预言了钾掺杂的苯和萘均是新型的超导体，分别具有6.2 K和5.8 K超导电性。总结指出，在芳香化合物超导体中，都存在一个5-7 K的Tc相，这是一个共性；对于少苯环体系，只存在5-7 K的低Tc相，而在多苯环体系（5苯环以上）也有高Tc相的存在。（4）发现在芳香化合物中，都存在一个K2掺杂的稳定相，且在少苯环体系只存在K2掺杂的稳定相，而在多苯环体系存在K2、K3等不同掺杂稳定相；与K3掺杂相比，K2掺杂导致了较低的费米能级电子态；随着分子尺寸增大，电子交换关联强度明显增强，同时相同掺杂浓度下的电声相互作用增强。指出，5-7 K的共性相来源于两个电子的掺杂，电声相互作用足以描述其超导电性；而高Tc相来源于三个电子的掺杂，电子关联效应和压强等声子以外的因素驱动了高Tc相。（5）对于稠环芳香化合物，掺杂体系稳定在反铁磁基态。改变掺杂体系的体积，发现体积膨胀反铁磁性增强，体积收缩体系趋于非磁基态。改变掺杂体系中环数，发现反铁磁磁矩随着环数增多而增大，K原子不贡献磁矩。掺杂磁性原子，会引入大的局域磁矩，C原子上的磁极化增强，强的自旋涨落可能会抑制超导转变。我们的研究既从理论上揭示了部分实验现象，也对高温超导研究指出了新的实验研究方向。