MgB2, графит: близнецы братья, но графит не сверхпроводник?!

Модераторы: mike@in-russia, varlash

Ответить
Аватара пользователя
Миныч
Сообщения: 404
Зарегистрирован: Сб фев 07, 2009 21:50
Откуда: Ногинск
Контактная информация:

MgB2, графит: близнецы братья, но графит не сверхпроводник?!

Номер сообщения:#1   Миныч » Вс ноя 14, 2010 5:51

MgB2, графит: близнецы братья, но графит не сверхпроводник? почему?!
Случайно обнаружил потрясающе информативный материал, подтверждающий экспериментально обнаруженный факт, правило Чапника Кикоина: почти все обычные сверхпроводники имеют положительный коэффициент Холла вблизи критической температуры. И на каких материалах!!!!! Всем известный сейчас MgB2 и обыкновенный графит!
Статья Чапника тут:
http://iopscience.iop.org/0305-4608/13/5/011

Очень информативную информацию о выполнении правила Чапника мы берем со страницы Хирша (помните индекс Хирша?) в виде диаграммы:
http://www-physics.ucsd.edu/~jorge/bcs.html
Изображение
Как видим исключения из правил по пальцам можно пересчитать.

Теперь, что я нашел. Смотрим на картинку:
Изображение
Картинка из книги:
Electronic structure: basic theory and practical methods / Richard M. Martin. издания 2004 года
Интересные нам страницы здесь:
http://love.minich.ru/s/p068.djvu
http://love.minich.ru/s/p069.djvu
http://love.minich.ru/s/p070.djvu
http://love.minich.ru/s/p071.djvu
Красные пометки мои (Миныча).

В чем же соль? А вот в чем:
Структуры графита и MgB2 практически очень схожи, число валентных электронов на ячейку одно и то же и для графита и для борида магния и можно ожидать, что структура зон у них будет очень похожей.
The simple hexagonal form of graphite
consists of these planes stacked with hexagons over one another in the three-dimensional
simple hexagonal structure, Fig. 4.2. This is also the structure of MgB 2 which is illustrated
in 4.6. The boron atoms form graphene-like planes in the simple hexagonal structure and
the Mg atoms occupy sites in the centers of the hexagons between the layers. Since each
Mg atom provides two valence electrons, the total electron valence count per cell is the
same for graphite and MgB2. Thus we can expect the band structures to be closely related
and the bands near the Fermi level to be similar.
Зоны были рассчитаны и как раз показаны на рисунке сверху, справа графит, слева борид магния. Подпись к рисунку:
Figure 2.29. Electron bands of MgB 2 (left) and primitive hexagonal graphite calculated [240] using
LAPW method (Ch. 17). The planar a bonding states, highlighted with larger symbols, are higher in
energy in MgB2 so that they are partially unoccupied. The symmetry labels are given in Fig. 4.10
and the Fermi surface calculated using a similar method is shown in Fig. 2.31. From [240].
То есть то что обведено красным для борида это частично незаполненная зона. Сигма связь там слабее чем в графите и зона выше лежит.
Очень горизонтальная ветвь в области ГА означает слойную структуру материалов. Поверхность ферми у борида там почти цилиндрическая.

Так вот для борида в Области ГА частично заполненная зона означает в основном дырочную проводимость, а так как в графите аналогичная зона лежит намного ниже уровня ферми, то там дырочной проводимости кот наплакал. Применяем правило Чапника Кикоина и точно! Борид и должен быть сверхпроводником, а графит навряд ли, что и наблюдается в природе.

Если встать в положении экспериментатора мыслителя, то напрашивается постановка экспериментов с графитом, которого везде завались, по превращению его в сверхпроводник путем:
1й путь: понизить в графите уровень Ферми.
2й путь:повысить уровень сигма зоны, тем самым обеспечив пересечение сигма зоны в районе ГА с уровнем ферми.

А так как сигма связь сильнее именно в графите, то вполне можно надеяться, что температурка критическая будет повыше в допированном графите, чем в бориде магния, то есть выше 40К. И производство сверхпроводящего графита можно вывести на уровень тысяч, если не миллионов, тонн. Если конечно преуспеть в нужном допировании или пропитке графита "секретной" жидкостью или секретным газом. :mrgreen:

Впрочем и борид магния полностью еще свое слово не сказал, с его повехностью ферми и уровнем сигма связи относительно уровня ферми тоже можно поиграться.

И в заключение. Хирш как то раз задал задачку: посмотреть на зонную структуру двух материалов и предсказать, какой из них есть сверхпроводник, а какой нет:
Изображение
Кто внимательно прочитал это сообщение сразу же справится с задачей профессора Хирша: конечно же сверхпроводник это Элемент два!
Ну и от меня вопрос: что значит с экспериментальной точки зрения наличие ДВУХ моих пометок красным на рисунке с графитом и MgB2 из книги?
Правильно! Поверхность ферми в виде гофроцилиндра означает наличие ДВУХ щелей в дибориде магния. :D
1. Физики большие мастаки в подгонке теорий к фактам и фактов к теориям (Миныч).
2. Убеждения - более опасные враги истины, чем ложь (Ф. Ницше).
3. ВТСП: "здесь должен быть подземный ход" (Абдулла).
### Миныч: мой журнал ###

Аватара пользователя
Alex Barri
Сообщения: 983
Зарегистрирован: Пт дек 12, 2008 15:07

Re: MgB2, графит: близнецы братья, но графит не сверхпроводн

Номер сообщения:#2   Alex Barri » Пт ноя 19, 2010 7:52

пардон, но известны же сверхпроводящие графиты с щелочными металлами, вот новый рекорд;

http://www.scientific.ru/journal/news/1105/n161105.html

Легирование графита кальцием и иттербием позволило добиться относительно высоких (порядка 10 K) температур перехода в сверхпроводящее состояние.

Роль атомов иттербия и кальция заключается в том, что они поставляют свободные носители заряда в графитовые слои. Интересно, что авторы предыдущих работ по легированию графита пытались увеличить расстояние между графитовыми слоями как можно больше и при этом не особенно преуспели в повышении критической температуры, тогда как в C6Ca расстояния между слоями оказалась меньше, чем в C8K ? в отличие от семейства сверхпроводящих фуллеренов A3C60 (здесь A ? щелочной металл), где критическая температура падает при уменьшении межкластерного расстояния.

Аватара пользователя
Миныч
Сообщения: 404
Зарегистрирован: Сб фев 07, 2009 21:50
Откуда: Ногинск
Контактная информация:

Re: MgB2, графит: близнецы братья, но графит не сверхпроводн

Номер сообщения:#3   Миныч » Сб ноя 20, 2010 10:07

Судя по иттербию, не дотянули они сигма зону немного выше уровня ферми, возможно поэтому не такая и высокая температура.
А тянули они сигма зону путем ослабления сигма связи (слои пытались раздвинуть, вместо допирования дырками). А раз сигма связь слабела, то ожидаемая Тс не дотянула до MgB2.
Вот тут можно глянуть:
http://www.nature.com/nphys/journal/v1/ ... 19_F1.html
Изображение
Красным уже не я рисовал :D
Подпись к рисунку:
a, Atomic structure. b, Geometry of the Brillouin zone of C6Yb.c?f, Band structures of: c, Expanded Yb, with the lattice parameters and atomic positions corresponding to those in C6Yb, so that the nearest Yb?Yb distance is increased by 24% as compared with the pure face-centred-cubic structure; d, the C6Yb compound; e, the 'empty' graphite system, where the Yb atoms have been removed but the lattice constants are kept fixed; f, free-electron bands, folded into the unit cell of C6Yb. The free-electron-like band is marked with a thick red line, whereas pink lines indicate hybridized bands with significant charge density in the interlayer region. The band structures (except for the free-electron bands) are aligned with respect to the core levels and in each case the Fermi level is shown with a dashed line. Including correlation effects for the localized 4f orbitals in the LDA+U method results only in the expected downward rigid shift of the energy of the filled 4f levels (not shown).
Жаль нет более четкого рисунка. В области Г-А

Еще ссылки до кучи:
Изображение
У лития четко то и не видно дырочной зоны (точнее видно, но корявая, не идет параллельно уровню ферми), зато у кальция: пальчики оближешь в зоне М-К и чуть шире, потому и Тс возможно высокая. Поиграться надо с высотой уровня ферми, смотришь и до 20-40К дотянет.
http://www.nature.com/nphys/journal/v1/ ... 19_F2.html
http://www.nature.com/nphys/journal/v1/ ... ys119.html
http://www.nature.com/nphys/journal/v1/ ... 35.html#f1
http://www.nature.com/nphys/journal/v1/ ... s0010.html

В общем, надо более четкие рисунки смотреть, у меня к нейча доступа нет.
С линией уровня ферми не совсем понятно, как они ее совмещали и почему не берут за ноль
1. Физики большие мастаки в подгонке теорий к фактам и фактов к теориям (Миныч).
2. Убеждения - более опасные враги истины, чем ложь (Ф. Ницше).
3. ВТСП: "здесь должен быть подземный ход" (Абдулла).
### Миныч: мой журнал ###

Ответить

Вернуться в «Физика твердого тела / Solid-state Physics»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость