[论文解读] First-principles study of electronic structure of $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$

J. A. Camargo-Martínez, Diego Espitia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2013

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用 7

一句话总结

这项基于第一性原理的研究所采用的LDA/FLAPW+lo方法在Wien2k中对四角晶系Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀（Bi-2223）进行了详细的电子结构分析。研究揭示了具有明显能谷的费米面，包括铋-氧能谷问题，并与角分辨光电子能谱（ARPES）实验结果高度一致，为CdS掺杂Bi-2223复合材料中观察到的再入超导行为提供了理论解释。

ABSTRACT

We present for the first time the band structure calculation of $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$ compound in the tetragonal structure (space group $I4/mmm$). We used the Local Density Approximation (LDA) as in the Wien2k code. We analyze in detail the band structure and the Fermi surface (FS). Our results are in very good agreement with recent experiments. The FS shows the feature known as the Bi-O pocket problem which we associate with the interaction of the O3 atoms with the Cu2-O2 and Bi-O4 planes. Ceramic $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$ stabilized with Pb has been reported as a superconductor with $T_c \sim 100$. CdS microparticles were embedded into the ceramic $Bi_2Sr_2Ca_2Cu_3O_{10}$. The composite did show a superconducting phase transition at a lower $T_c \sim 70 K$. At even lower temperatures re-entrant behavior was observed. The sample regain the superconducting state at $\sim 47 K$ [arXiv:1101.0277 [cond-mat.supr-con]]. This effect is not observe in the ceramic alone. This calculation is useful per ser and also can contribute to a better understanding of this particular re-entrant behavior.

研究动机与目标

• 对属于I4/mmm空间群的四角晶系Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀（Bi-2223）进行首次理论电子结构研究。
• 理解费米面特征的起源，特别是铋-氧能谷问题，及其与氧和铜平面的关系。
• 研究Cu1-O1平面的电子贡献及其在费米能级附近态密度增强中的作用。
• 为解释CdS/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀复合材料中观察到的再入超导行为提供理论基础。
• 将Bi-2223的电子结构与Bi-2212和Bi-2201进行比较，建立铜氧平面数量与费米能级附近能带数量之间的关联。

提出的方法

• 在局域密度近似（LDA）框架下，采用全势线性化缀加平面波加局域轨道（FLAPW+lo）方法。
• 使用Wien2k代码进行全电子电子结构计算，对价电子态采用标量相对论处理，对内层电子态采用完全相对论处理。
• 平面波截断取RmtKMax = 8.0，角动量展开取lmax = 12，Gmax = 25。
• 采用17×17×17的k空间网格（不可约布里渊区包含405个点）进行布里渊区积分。
• 从实验测得的结构参数出发，优化c/a比和内部坐标，Rmt值设为：Bi为2.3，Sr为2.0，Ca和Cu为1.9，O为1.5。
• 分析能带结构、态密度和费米面拓扑，将结果与ARPES数据及实验观测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi-2223的电子结构，特别是其费米面，与实验ARPES测量结果如何比较？
• RQ2 费米面中铋-氧能谷问题的起源是什么？其与O3、Cu2-O2和Bi-O4平面有何关联？
• RQ3 与Bi-2212相比，Bi-2223中额外存在的Cu1-O1平面如何影响费米能级附近的态密度？
• RQ4 CdS/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀复合材料为何表现出再入超导行为？其电子结构能否解释该现象？
• RQ5 在铋系铜氧化物中，铜氧平面数量与费米能级附近能带数量之间是否存在相关性？

主要发现

• Bi-2223的费米面由三个明显不同的表面组成：α、β和γ，其中α表面表现出最强的嵌套特性。
• 在M̄点附近的铋-氧能谷（δ和ε）为小而闭合的电子表面，δ为圆角正方形，ε为圆角矩形，与‘铋-氧能谷问题’一致。
• ARPES实验中识别出的内层和外层铜氧平面（IP和OP）分别对应于α和β/γ费米面片，其在Γ-X方向的动量差约为0.005 Å。
• Cu1-O1平面在费米能级处贡献了0.56个态/eV-atom的态密度，与Cu2-O2平面相当，使总态密度在费米能级处相对于Bi-2212有所增加。
• 在M̄点处，铋-氧能带在费米能级以下的能级深度随铜氧平面数量的增加而呈比例增加，支持了在Bi-2201和Bi-2212中观察到的趋势。
• 计算得到的费米面拓扑结构与ARPES数据高度一致，尤其在节点方向，验证了Bi-2223理论模型的可靠性。