بخشی از مقاله
چکیده
اثر فشارهای بالا - تا - 56 GPa بر خواص الکترونی ترکیب BaFe2As2 در فاز غیرمغناطیسی در چارچوب نظریه تابعی چگالی و تقریب گرادیان تعمیم یافته بررسی شده است. نتایج محاسبات چگالی حالتهای کل و جزئی - مربوط به اوربیتالهای Fe3d و - As4p و نیز نوار انرژی برای فشارهای نوعی متعارف، 15، 30 و GPa 45 ارائه شده است. اعمال فشار در این محدوده باعث پهن شدگی نوارهای انرژی رسانشی به اندازه 2 eV شده است.
نتیجه شده است که گذار فاز ایزوساختاری از فاز چهارگوشه به چهارگوشه فشرده اثرات قابل ملاحظهای بر ساختار الکترونی این ترکیب، از قبیل کاهش ماهیت شبهدوبعدی نوارهای انرژی، کاهش چگالی حالت-ها در تراز فرمی، پهن شدگی قله های تیز چگالی حالتها و تغییر ماهیت الکترونگونه یا حفرهگونه بودن نوارهای حوالی تراز فرمی دارد که میتواند خواص الکترونی متفاوتی را در این دو فاز نشان دهد.
مقدمه
ترکیب BaFe2As2 از خانواده 122 ابررساناهای پایه آهن فلزی پاد فرومغناطیس - در - T < TN = 140K است که با آلایش و یا اعمال فشار ابررسانا میشود .[1] بررسی تغییر خواص فیزیکی سیستم با آلایشهای مناسب یا اعمال فشار میتواند به فهم ما از خواص حالت نرمال و ابررسانایی این مواد کمک کند. از طرفی بررسی اثرات فشار به دلیل ایجاد تغییر فواصل بین اتمی و تغییرات ساختاری بدون ایجاد بینظمیهای شیمیایی از اهمیت بیشتری نسبت به آلایش برخوردار است. نمودار فاز دما-فشار ترکیب BaFe2As2 تقریبا گنبدی شکل و با بیشینه دمای گذار ابررسانایی 28 K - Tc - در فشار 4 GPa گزارش شده است .
[2] محدوده فشاری که در آن ابررسانایی مشاهده میشود، Tc و فشار نظیر بدست آمده در آزمایشهایی با شرایط متفاوت اعمال فشار با یکدیگر اختلاف دارند که به دلیل ناهمسانگردی تراکم پذیری
BaFe2As2 است .[3] نتایج پراش اشعه ایکس سنکروترونی این ترکیب در دمای 300 K نشان میدهد که با اعمال فشار هیدرواستاتیکی - با استفاده از هلیوم مایع در سلول سندان الماسی - پارامترهای شبکهای - a - c در حدود 27 GPa به طور ناگهانی کاهش - افزایش - مییابد که به صورت گذار فاز ایزوساختاری - بدون تغییر گروه تقارنی - از فاز چهارگوشه - T - به چهارگوشه فشرده - CT - تعریف شده است .
[4] چنین گذاری در فشار بحرانی
حدود [5] 17 GPa هم گزارش شده است که مقادیر متفاوت فشار بحرانی بستگی به عواملی چون خلوص نمونه، روش اعمال فشار، محیط عبوردهنده و درجه هیدرواستاتیکی فشار دارد. اعمال فشارهای مکانیکی بالا و اندازه گیریهای تجربی ساختار بلوری و الکترونی ترکیبات در ایفشارهای بالا با محدودیتهای آزمایشگاهی همراه است، از این رو شبیهسازی با محاسبات ابتدا به ساکن می-تواند راهگشا باشد. از آنجاییکه ساختار الکترونی میتواند بر خواص فیزیکی این سیستم در حالتهای نرمال و ابررسانایی تأثیر گذار باشد، در این مقاله ساختار الکترونی شامل چگالی حالتها، نوار انرژی در فشارهای هیدرواستاتیکی مختلف و به ویژه در نزدیکی این گذار فاز ایزوساختاری بررسی خواهد شد.
روش محاسبات
محاسبات ابتدا به ساکن نسبیتی اسکالر در چارچوب نظریه تابعی چگالی و با استفاده از روش شبه پتانسیل کد محاسباتی کوانتوم اسپرسو [6] با پایههای موج تخت انجام شده است. تقریب گرادیان تعمیم یافته از نوع [7] PBE برای تابعی تبادلی همبستگی انتخاب شده است. ترکیب BaFe2As2 در دمای 300 K، غیرمغناطیسی و دارای ساختار چهارگوشهی مرکز پر -ThCr2Si2 گونه با گروه تقارنی I4/mmm است. برای پارامترهای شبکه ورودی در محاسبات از دادههای تجربی در دمای 300 K و محدوده فشارهای متعارف تا [4] 56 GPa استفاده شده است.
آزمونهای همگرایی شامل محاسبه نمودارهای انرژی کل بر حسب تعداد نقاط k و انرژی قطع برای فشار متعارف و 56 GPa انجام شد و مقادیر بهینه برای اختلاف انرژی meV تعیین شدند. شبکه 12×12×4 نقاط k در طرح مونت خورست پک معادل 115 نقطهی k متمایز در منطقه اول بریلوئن تعیین شد. همچنین انرژی جنبشی قطع برای بسط تابع موج الکترونی بر حسب امواج تخت و بسط تابع چگالی الکترونی و پتانسیل به ترتیب برابر با 950 eV و 9500 eV انتخاب شدند. در هر فشار، مکان یون As با روش شبه نیوتونی برویدن-فلشر-گلدفارب-شانو تا مقدار نیروی 10-4 eV/Å واهلیده شدند.
نتایج و بحث
در مطالعه قبلی [8] خواص ساختاری برای فشارهای انبساطی و انقباضی -20 - تا - 56 GPa ارائه و نتیجه شده است که گذار فاز ایزوساختاری T/CT در فشار بحرانی 24 2 GPa روی میدهد که با تغییرات ناگهانی زوایای چهاروجهی FeAs4 و طول پیوندها همراه است. در مقاله حاضر به اثرات این گذار فاز ساختاری بر خواص الکترونی این ترکیب پرداخته شود. چگالی حالتهای الکترونی کل و جزئی دو اوربیتال مهم در نزدیکی تراز فرمی-اوربیتالهای 3d اتم آهن - Fe3d - و 4p اتم آرسنیک - - As4p - برای چهار فشار نوعی 0 - متعارف - ، 15، 30 و 45 GPa در شکل 1 نشان داده شده است.
در تمامی فشارها چگالی حالتها نزدیک تراز فرمی که نقش اصلی را در رسانش دارند ناشی از اوربیتال Fe3d است و حالتهای As4p حدود 2 eV پایینتر از تراز فرمی شروع شده که به خوبی با اوربیتال Fe3d هیبرید - ناحیه هاشورخورده ضربدری در شکل - 1 شدهاند. چگالی حالتهای الکترونی در فشار متعارف دارای دو قله بزرگ و تقریبا باریک در انرژیهای حدود -0/7 و -3/2 eV و چند قلهی دیگر است.
این صفحه - Z- R-A-Z - kz=0/5 حاکی از سهبعدی شدن و برهمکنش قله ها در فشار 15 GPa نیز وجود دارند ولی پس از گذار به فاز بیشتر لایهها با یکدیگر ترکیب BaFe2As2 در فاز CT است.
CT پهنای قلهها افزایش مییابد و قلههای جدیدی ظاهر میشوند و هر چه فشار افزایش یابد اختلاف بین قلهها و درههای نمودار کاهش مییابد که نشانه گستردگی بیشتر نوارها در فضای تکانه است. از آنجا که فشار مکانیکی تغییری در تعداد الکترونهای سیستم ایجاد نمیکند پهن شدن قلهها و گستردگی نوارهای انرژی به افزایش پهنای کل نوارهای رسانش حوالی تراز فرمی در حدود 2 eV در بازه فشاری 56 GPa میشود. همچنین با افزایش فشار تا 45 GPa چگالی حالتهای کل الکترونی در تراز فرمی به میزان 1/2 States/eV نسبت به فشار متعارف کاهش مییابد.
شکل: 1 نمودار چگالی حالتهای کل - نقطه-خط چین - و جزئی اوربیتالهای Fe3d - خط ممتد و ناحیه هاشورخورده صعودی - و As4p - خطچین و ناحیه هاشورخورده نزولی - ترکیب BaFe2As2 در چهار فشار نوعی مختلف. به منظور مطالعه تغییرات نوار انرژی در اثر گذار فاز، نمودار نوار انرژی کل و جزئی اوربیتالهای Fe3d و As4p ترکیب BaFe2As2 در دو فشار نوعی 0 و 45 GPa در شکل 2 نشان داده شده است. پهن شدگی نوارهای انرژی در اثر اعمال فشار مشاهده میشود و گذار فاز باعث تغییر شکل نوارها میشود.
در فشار 45 GPa، پاشندگی بیشتر نوارها در راستای Z و کاهش شباهت تقریبی نوارهای انرژی در صفحه - - X-M- - kz=0 با شکل: 2 نوار انرژی کل و جزئی اوربیتالهای Fe3d و As4p ترکیب BaFe2As2 در دو فاز ساختاری T - فشار - 0 و CT - فشار - 45 GPa در طول مسیر پرتقارن ناحیه بریلوئن قراردادی که در متن مشخص شده است. چهار نوار در فشار متعارف تراز فرمی را قطع کردهاند که دو تا الکترونگونه - در حوالی گوشههای M و A منطقه اول بریلوئن - و دو تا حفرهگونه - در حوالی مرکز منطقه بریلوئن - هستند که با دادههای سطح فرمی بدست آمده از طیف سنجی نورگسیل تفکیک زاویهای همخوانی دارد.[9] رفتار این چهار نوار مهم که با برچسب-های BNi - i=1,2, 3,4 - با اعمال فشار در شکل 3 نشان داده شده است. نمودارهای مربوطه در شکل 3 نشان داده شده است.
