【摘要】 采用WIEN2K代码进行CaB2及掺杂体系DFT计算，揭示电子掺杂（Fe/Cd）和空穴掺杂（K）对晶格常数、能带结构及态密度的影响，探讨超导转变的电子-声子耦合机制。

晶格结构与计算方法

采用WIEN2K代码进行全电势密度泛函理论（DFT）计算，通过PBE和PBE0泛函对比研究CaB2及其掺杂体系的电子结构。如图1所示（alt="CaB2与MgB2晶格结构对比图"），所有化合物均呈现AlB2型六方结构（空间群P6/mmm），其中：

CaB2与MgB2晶格结构对比图

图1 (a)和(b) MgB2超导体和CaB2取代单元电池结构。(c) - (e) Ca0.75X0.25B2 (X=Fe, Cd或K)结构的超级单体

  • ​MgB2：晶格常数a=3.076Å，c=3.526Å
  • ​CaB2：晶格常数a=3.322Å，c=3.986Å
    掺杂体系Ca0.75X0.25B2（X=Fe/Cd/K）的晶格参数显示，电子掺杂（Fe/Cd）使晶格收缩，空穴掺杂（K）则引发晶格扩展。

 

能带结构与超导特征

图2显示：

1.​MgB2在K对称点存在狄拉克点（费米能级+1.8eV），沿Γ-A方向出现双简并价带（Γ点0.51eV，A点0.85eV），这种能带排列有利于超导态形成

2.​CaB2掺杂体系计算表明：

  • 电子掺杂显著改变费米面附近态密度
  • E2g声子模式与B原子px/py轨道耦合增强
  • 电荷密度分布（alt="Ca0.75Fe0.25B2电荷密度分布图"）显示过渡金属掺杂诱导的电子再分配

MgB2与CaB2能带结构对比图

图2 a) MgB2， (b) CaB2，以及(c)， (d)， (g) Ca0.75X0.25B2 (X=K, Fe或Cd)的波段结构，(e)和(f) Ca0.75X0.25B2 (X=Cd或Fe)，分别使用PBE0方法

 

关键发现与理论验证

通过对比原始材料与掺杂体系的态密度（DOS）分析：

  • PBE0泛函更准确描述电子关联效应
  • Fe/Cd掺杂使导带下移0.3-0.5eV
  • K掺杂在价带顶形成空穴口袋
    研究证实电子掺杂体系Ca0.75Fe0.25B2具备超导转变潜力，临界温度提升与声子-电子耦合强度呈正相关。

 

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