【纯计算】Results phys.：MGe2（M=V，Nb和Ta）的机械、热、电子、光学和超导性能研究

具有独特物理性质的非中心对称锗系超导体引起了人们的极大关注。近日，吉大港工程技术大学S.H. Naqib、M.M. Hossain等人使用密度泛函理论全面研究了锗系超导体MGe₂（M=V、Nb和Ta）的结构和电子、光学、机械、热和超导性。

计算方法

基于密度泛函理论，作者利用CASTEP包进行第一性原理计算，并采用含有Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函的广义梯度近似（GGA）来描述电子交换关联作用，而离子和电子之间的相互作用则由OTFG超软赝势描述。在赝势计算中，作者考虑了以下电子构型：V-3s²3p⁶3d³4s²、Nb-4s²4p⁶4d⁴5s¹、Ta-5d³6s²和Ge-4s²4p²。

此外，作者将第一布里渊区中的平面波截止能量和k点网格分别设置为500 eV和6×6×4。在所有计算过程中，总能量收敛标准为5.0×10⁻⁶ eV/atom，自洽场（SCF）收敛标准设置为5.0×10⁻⁷ eV/atom。其他收敛标准如下：最大力为0.01 eV/Å，最大应力为0.02 GPA，最大原子位移为5.0×10⁻⁴Å。

结果与讨论

图1 MGe₂（M=V，Nb和Ta）晶体结构

MGe₂的三维视图、侧视图和俯视图如图1所示，其中每个晶胞包括三个M原子和六个Ge原子。M原子与十个Ge原子建立了十坐标几何结构，而Ge原子与五个M原子和五个Ge原子相连。

图2 MGe₂（M=V，Nb和Ta）的声子色散谱

MGe₂（M=V，Nb和Ta）的声子色散谱如图2所示，其具有27个声子分支，其中三个较低的分支是声学分支，而其他的则是光学分支。在整个布里渊区中，所有原子的频率都是正的，这表明所有化合物都具有动力学稳定性。

图3 MGe₂（M=V，Nb和Ta）上不同弹性模量的三维各向异性分布

MGe₂（M=V，Nb和Ta）化合物弹性模量的三维（3D）各向异性分布如图3所示，对于各向同性材料，其三维分布为完全球形。如图3所示，压缩性、剪切模量和杨氏模量的3D分布表明MGe₂（M=V，Nb和Ta）化合物具有各向异性。

图4 MGe₂（M=V，Nb和Ta）的能带结构和PDOS

如图4所示，作者研究了MGe₂（M=V，Nb和Ta）的能带结构和电子态密度，并且MGe₂（M=V，Nb和Ta）没有带隙，这有助于价电子进入导带，进而表明它们具有金属性质。此外，对于VGe₂、NbGe₂和TaGe₂，在费米能级处的TDOS计算值分别为5.41state/eV、3.62 state/eV和3.21 state/eV。价态M−d轨道和Ge-4p轨道在费米能级的TDOS中起主要作用。与Nb和Ta相比，原子V具有最高的部分态密度。此外，费米能级以上和以下的TDOS值主要来源于M−d和Ge-4p轨道。

图5 MGe₂（M=V，Nb和Ta）的光学参数（介电常数实部和虚部，折射率和消光系数）

介电常数的实部与电极化有关，虚部与入射光能的吸收有关。图5（a和b）分别说明了介电常数的实部和虚部，其中实部随着光子能量的增加而急剧下降，然后几乎保持零值。与其他两种材料相比，TaGe₂在可见光范围内具有最高的介电常数。另一方面，TaGe₂的虚部在可见光范围内呈现最低值。此外，折射率（n）和消光系数（k）是另外两个关键参数，具体如图5（c和d）所示。这三种化合物的折射率静态值几乎相同，然而，TaGe₂的下降率与其他的非常不同。而消光系数的值在可见光范围内随着能量的增加而增加，VGe₂和NbGe₂的增加率比TaGe₂更高。因此，与TaGe₂相比，VGe₂和NbGe₂具有更高的光学吸收性质。

图6 MGe₂（M=V，Nb和Ta）的光学参数（吸光度、反射率、电导率和损失函数）

如图6（a和b）所示，VGe₂、NbGe₂和TaGe₂的吸收随着光子能量的增加而增加，在UV区域分别高达5.3、7.5和12.7eV。然而，在特定的光子能量（比如2eV）下，TaGe₂化合物的光子吸收为0.4×10⁵cm⁻¹，而VGe₂和NbGe₂化合物分别为1.0×10⁵cm^‑1和1.1×10⁵ cm⁻¹。在图6（b）中，这三种化合物的反射率在可见光范围内保持不变。如果材料的反射率大于44%，则可以减少太阳能加热。而这些化合物的反射率在可见光范围内甚至在紫外线区域附近都不会低于50%。因此，它们可以作为减少太阳能加热的涂层材料。

图6（c和d）显示了MGe₂（M=V，Nb和Ta）化合物的光学电导率和损耗函数光谱。因为这些化合物没有带隙，所以电导率曲线从零开始。VGe₂在4.08eV处具有最高峰值，而NbGe₂在~6.0eV处获得相对较低的峰值；然而，与NbGe₂相比，TaGe₂的峰值向更高的能量移动。此外，能量损失函数定义了电子在穿过固体时的损失能量。其中VGe₂在17.66eV处具有较低的等离子体频率，NbGe₂和TaGe₂的等离子体频率分别偏移到19.76eV和39.1eV。

图7 MGe₂（M=V，Nb和Ta）的晶格热导率，恒定体积下的比热C_v，恒定压力下的比热C_p和化合物的线性热膨胀系数与温度的关系

如图7（a）所示，随着温度的升高，这三种化合物的K_ph值都降低。如图7（b）和图7（c）所示，恒定体积下的比热C_v和恒定压力下的比热C_p都随着温度的升高而增加，并且在500K时几乎达到恒定值。相应的顺序分别为67.8（TaGe₂）>66.7（NbGe₂）>65.3（VGe₂）和68.1（TaGe₂）>66.9（NbGe₂）>65.6（VGe₂）。而对于线性热膨胀系数（图7d），这三种化合物的值都是相似的。

结论与展望

MGe₂（M=V，Nb和Ta）化合物具有动态和机械稳定性，并且都具有脆性（NbGe₂<VGe₂<TaGe₂）和弹性各向异性，而MGe₂（M=V，Nb和Ta）的硬度值分别为16.95、14.96和19.6GPa。作者研究了不同的光学参数（介电常数、反射率、吸收系数、光电导率、折射率和损耗函数）和热性质（热导率、热膨胀系数、德拜温度、比热和熔点），并且发现所有这些化合物在可见光和近紫外区域的反射光谱均大于50%，证明了它们可以作为涂层材料。最后，该工作可以为未来的研究提供数据参考。

文献信息

M.H. Kabir et.al First principles study of mechanical, thermal, electronic, optical and superconducting properties of C40-type germanide-based MGe₂(M = V, Nb and Ta) ，results in physics 2023

https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.106701

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