表面吸附和金属插层的石墨烯超导电性的理论研究

Graphene possesses various remarkable properties and provides a model system to demonstrate many fundamental concepts and phenomena in condensed-matter physics, and thus are being drawing the attention of the scientific community. However, in the list of graphene's many remarkable properties, superconductivity is notably absent. If it were possible to find a way to induce superconductivity, it could undoubtedly enrich the application of graphene. Using the first-principles calculations based on density functional perturbation theory, this project would systemically investigate the crystal structural, electronic properties and possible superconductivity of metal-absorbed one-layer graphene, metal-intercalated few-layer graphene, and graphite intercalation compounds. It will explore the relationship of the distance between metal and graphene layer, the distance between graphene layers, phonon vibrational modes and electron-phonon coupling. In addition, it will study the relationship between quantum confinement and superconductivity from two-dimensional graphene systems to three-dimensional bulk graphite intercalation compounds. This proposed project would improve the understanding the superconductivity of graphene systems, and provide great implications to carbon-based superconductivity and even the whole filed of superconductivity.

由于石墨烯具有众多优异的性质，并且作为模型体系研究了凝聚态物理中许多基本概念和现象，从而引起了人们的广泛关注。然而，在石墨烯众多优异性质中，唯独缺少超导电性,如果能将超导电性引入到石墨烯体系中，这无疑将极大地拓展石墨烯的应用范围。 本项目拟通过基于密度泛函微扰理论的第一性原理计算，系统研究单层石墨烯吸附金属、多层石墨烯插层金属和石墨层间化合物的结构性质、电子结构性质和可能的超导电性。通过对这些石墨烯体系的研究，探讨石墨烯层与吸附金属原子的距离、石墨烯层间距离、声子振动模式和电声耦合的关系。此外，通过从二维的石墨烯体系扩展到三维的石墨层间化物，还将研究量子束缚效应和超导电性的关系。希望通过本项目的实施丰富人们对石墨烯类超导材料的认识，同时也能为碳基超导材料甚至整个超导领域做出一定的贡献.

本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了石墨插层金属化合物的结构特点，电子性质，热动力学和机械性质。. 我们采用无偏的结构搜索方法，探究了石墨插层金属化合物LiC6的在常压和高压下的稳定相和亚稳相。发现了LiC6四种具有低焓值的热力学基态相，其中包括实验中发现的P6/mmm相和三种理论预测的正交相：Pmmn、Immm和Cmmm相。碳原子首先从二维的石墨层状结构转变成三维的纳米多孔结构，然后转变成二维的金刚石条状结构，最终转变成三维的网状结构。在正交相中，碳原子之间的共价键呈现出sp2和sp3杂化共存的特性，压强的升高使得系统趋向于形成sp3杂化特性的共价键。声子计算检测了四种竞争相的热力学稳定性。. 我们研究了石墨插层金属化合物YbC6，并与其它Yb-C化合物进行了比较，并探讨了电子强关联效应对镱碳化物机械性质和热力学性质影响。为了描述强关联的局域4f电子，我们采用了GGA + U的方法。四种镱碳化物的弹性常数与Hubbard U值存在密切关系。采用VRH近似（Voigt-Reuss-Hill approximation），计算了四种镱碳化物的体弹模量B、杨氏模量E和剪切模量G。YbC6的B、E和G的值在四种碳化物中最大而呈现出质地硬和脆的力学特性，而YbC2则呈现出质地软和易延展的力学特性。利用各向异性指数和因子，我们分析了四种镱碳化物的力学各向异性。声子谱计算发现，只有YbC2和YbC6是动力学稳定相，这与实验的结论是一致的。. 我们的研究结果阐明了高压下LiC6的结构相变，为研究其他石墨插层化合物的高压行为提供了重要的信息；明确了电子强关联效应对YbC6及其他Yb-C化合物机械性质和热力学性质的影响，为研究含有强关联效应的石墨插层化合物提供了重要依据。