Прогнозирование сверхпроводимости в двумерном кристалле TaS2 методом компьютерного моделирования

UDC 544.723.23

Junior Researcher Federal State Budgetary Institution of Science of the Order of the Red Banner of Labor Institute of Chemistry of Silicates. I.V. Grebenshchikov Russian Academy of Sciences Russia, St. Petersburg PREDICTION OF THE SUPERCONDUCTIVITY IN TWO

DIMENSIONAL TaS2 CRYSTAL BY COMPUTER SIMULATION METHOD

Annotation: Currently, there is interest in the study of superconductivity for materials in a two-dimensional state. The most important for explaining and predicting these properties is to obtain a band structure of the material of acceptable quality. In the work with the use of calculations using a software package based on a plane-wave basis, a zone diagram of a two-dimensional crystal based on TaS₂ was obtained. The information obtained allowed to explain the superconducting properties of monolayer TaS 2 , namely, the presence of " hole pockets" and saddle points below the Fermi level, causing the appearance of van Hove singularities was confirmed.

Поведение сверхпроводников в двумерном (2D) состоянии является давней проблемой в физике, которая была в центре обширных исследований в этой области [1]. Использование подхода «снизу вверх» обеспечило обнаружение признаков существования сверхпроводимости в двумерных материалах в экспериментах, выполненных на выращиваемых in situ ультратонких свинцовых пленках, изготовленных путем напыления [2]. Однако для пленок, выращенных таким образом, трудно избежать сильного влияния атомной решетки подложки, что зачастую приводит к сильно разупорядоченным пленкам.

Другой подход основан на использовании расслаивания объемного материала на двумерные кристаллы. Этот подход «сверху вниз» позволяет преодолеть ограничения, накладываемые кристаллической решеткой и химические ограничения, налагаемые использованием подложки в стратегии «снизу вверх».

Как выяснилось, графен в исходном двумерном состоянии не обладает сверхпроводимостью. Интересным классом недавно исследованных материалов является двумерные кристаллы на основе дихалькогенидов переходных металлов. Такие материалы как NbSe2 и TaS2, как выяснилось, способны обладать сверхпроводимостью в двумерном состоянии [3,4].

В работе, посвященной исследованию TaS 2 наличие сверхпроводимости авторы работы пытались объяснить присутствием в зонной диаграмме так называемых «карманов для дырок». Однако в их работе расчеты зонной диаграммы проводились с помощью программы SIESTA, базис локализованных атомных орбиталей, что является менее точным, чем использование более традиционного плосковолнового базиса. В настоящей работе предполагается получение, таким образом, более точного описания зонной диаграммы для монослойного TaS 2 , поскольку в работе будет использоваться программа, основанная на плосковолновом базисе.

Все расчеты периодических твердых тел методом функционала электронной плотности (англ. density functional theory, DFT) были выполнены с использованием программного пакета Quantum ESPRESSO [5]. С помошью данной программы проводилась релаксация структуры изучаемых объектов и построение зонной диаграммы.

Результаты исследования зонной диаграммы монослойного TaS 2 представлены на следующем рисунке:

Рисунок – зонная диаграмма для монослойного TaS2.

Из рисунка видно, что действительно, на зонной диаграмме наблюдаются «карманы для дырок», также видны седловые точки ниже уровня Ферми. Эти седловые точки приводят к появлению пиков Ван-Хова, которыми также объясняют сверхпроводимость, при этом их высота возрастает по мере уменьшения количества слоев и в конечном итоге расходится в двумерном пределе.

В работе получена более точная зонная диаграмма и показано, что для двумерного кристалла на основе TaS2 наблюдаются «карманы для дырок», а также седловые точки ниже уровня Ферми. Данные седловые точки приводят к появлению пиков Ван-Хова, высота которых возрастает с уменьшением количества слоев и расходится в для двумерного кристалла. Работа    поддержана   Программой    Президиума    РАН   №32

«НАНОСТРУКТУРЫ:  ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ОСНОВЫ

ТЕХНОЛОГИЙ», подпрограмма II "Наноматериалы" на 2016-2018 гг.