二维硼纳米材料及其衍生物的电声耦合作用的理论研究

Due to plenty of remarkable properties with easy modulation, two-dimensional boron nano-materials and their derivatives have become a crucial aspect in the research of low-dimensional nano-structures. In these relatively light low-dimensional materials, electron-phonon coupling has attracted extensive attention, since it is significant to explore superconductivity, transport, and corresponding applications. Based on first-principles calculations combined with maximally-localised Wannier functions, Migdal–Eliashberg theory, and Boltzmann transport equation, this project will systematically investigate structural character, electronic structure, vibration property, electron-phonon coupling, transport property, and possible superconductivity of two-dimensional boron nano-materials and their derivatives. In this project, we will explore the relation between electron-phonon coupling and structural character, Fermi surface, and phonon vibration to reveal the physical mechanism of electron-phonon coupling and thus propose new-type transport devices or good superconductors. We will also explore the evolution processes of Fermi surface, phonon vibration, and electron-phonon coupling through the modulation methods such as carrier doping, external field, and strain, and consequently realize the optimization of transport property or superconductivity. This project will enable us to have a profound understanding of electron-phonon coupling mechanism of two-dimensional boron nano-materials and their derivatives, which may provide physical models and theoretical predictions in the design of electronic transport, superconducting, and thermoelectric devices.

二维硼纳米材料及其衍生物具有众多优异性质并且易于调控，已成为低维纳米结构研究的重要方向。在这类较轻的低维材料中，研究电声耦合作用对探索超导、输运等性质和相应的应用前景具有重要意义，引起了人们的广泛关注。本项目拟采用第一性原理计算结合最大局域Wannier函数、Migdal–Eliashberg理论、玻尔兹曼输运方程，系统研究二维硼纳米材料及其衍生物的结构特征、电子结构、振动性质、电声耦合、输运性质和可能的超导电性。探索电声耦合和结构特征、费米面、声子振动之间的联系，阐明电声耦合的物理机制，预言新型输运器件或优异超导体。掌握通过载流子掺杂、外场、应力等手段调控费米面、声子振动和电声耦合的途径，揭示电声耦合的演化规律，实现对输运性质或超导电性的优化。希望通过本项目的实施能够深化人们对二维硼纳米材料及其衍生物电声耦合机制的认识，为设计电子输运、超导、热电等器件提供物理模型和理论预言。

电声耦合是凝聚态物理中的重要问题之一，它是传统超导体超导的根本原因也是主导材料电子输运性能的主要因素。在实验上成功制备出硼烯之际，研究发现二维硼体系具有丰富的电声耦合性质，这激发了人们对二维硼基材料电声耦合的研究兴趣。为此，我们提出了二维硼纳米材料及其衍生物的电声耦合作用的理论研究，详细研究了这类材料的费米面、晶格振动、电声耦合、超导带隙、电子输运等性质，揭示了电声耦合与费米面、晶格振动等的联系，阐明了电声耦合的生成机制，预测出了优异超导和输运等材料。在本项目的资助下，我们首先研究了实验上已成功合成的三种硼烯的电声耦合和超导电性，发现它们具有各项异性的超导带隙和双带隙超导性质，最高超导转变温度可达33K。然后，我们以硼铝薄膜AlB2和AlB4为对象，研究了体系的电声耦合和超导性质，发现任何厚度的AlB2薄膜都是超导转变温度处于17-26.5K之间的双带隙超导体，三明治结构的AlB4薄膜是具有47K转变温度的三带隙超导体。接着，我们研究了MgB4薄膜的电声耦合和多带超导，揭示其是人们所发现的第一个四带隙超导体，超导转变温度可达52K。最后，研究了朱砂晶体α-HgS、单层MoS2、金属原子修饰的单层BC3、反钙钛矿A3BO等材料的电子结构、电声耦合和电子输运，并结合热输运计算预测出了新型热电材料α-HgS和Rb3AuO等。同时，为研究具有强晶格非谐效应的反钙钛矿A3BO的电声耦合和电子输运，发展了有限温电声耦合的数值计算方法，为后续研究铺平了道路。这些研究结果深化了人们对电声耦合物理和二维硼基材料物性方面的认识，为寻找多带隙超导体、设计新型热电器件等提供了新思路和可行材料，具有较大科学意义。

内容获取失败，请点击重试