LaRu2P2 malzemesinin fiziksel özelliklerinin yoğunluk fonksiyonel teorisi kullanılarak incelenmesi
Investigation of physical properties of LaRu2P2 material by using density functional theory
Yazar: SERKAN KARADAĞ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN MURAT TÜTÜNCÜ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
ThCr2Si2-tipi yapıda kristalleşen LaRu2P2 malzemesininin yapısal, elektronik, titreşim ve elektron-fonon özellikleri Yoğunluk Fonksiyonel Teoresinin Genelleştirilmiş Gradyen Yaklaşımı kullanılarak incelendi. Hesaplanan yapısal parametreler ile daha önceki deneysel verilerin çok iyi uyum gösterdiği gözlemlendi. LaRu2P2'nin atomik yapısı iki-boyutlu olmasına rağmen, c-ekseni boyunca elektronik band yapısının Fermi seviyesi yakınlarında gösterdiği dağılım üç-boyutlu elektronik yapıda olduğunu gösterdi. Fermi seviyesi yakınlarında toplam ve kısmi elektronik durum yoğunluğuna ana katkı Rutenyum atomlarından geldiği gözlemlendi. Bu durum LaRu2P2 malzemesinin elektronik ve süperiletkenlik özelliklerinde aktif rolün Rutenyum atomundan kaynaklandığını gösterdi.
LaRu2P2 malzemesinin titreşim özellikleri, önceden hesaplanan yapısal ve elektronik özellikler yardımıyla Yoğunluk Fonksiyonel Teorisinin Doğrusal Tepki Metodu kullanılarak elde edildi. Titreşim özellikleri incelendiğinde bütün modların pozitif değere sahip olması bize LaRu2P2 malzemesinin dinamik olarak kararlı olduğunu gösterdi. LaRu2P2 malzemesinin titreşim özellikleri incelendiğinde Γ-G1-Z yönünde Boyuna Akustik (LA) ve Birinci Enine Akustik (TA1) modlarının, Γ-N yönünde ise TA1 modunun beklenmedik dağılım gösterdi. Bu beklenmedik fonon davranışları ortalama elektron-fonon etkileşim parametresine büyük bir katkı yapmaktadırlar.
Elekron-fonon etkileşim matris elementleri ve fonon spektrumu kullanılarak LaRu2P2'nin Eliashberg spektral fonksiyonu hesaplandı. Bu fonksiyonun analizi bize akustik fonon modlarının fonon saçılmalarında büyük rol oynadığını gösterdi. LaRu2P2 için elektron-fonon etkileşim parametresi 0,85 olarak bulundu. Bu sonuç bize bu materyalde süperiletkenliğin elektron-fonon etkileşiminden kaynaklandığını gösterdi. Özel olarak Rutenyum ile ilişkili titreşim modları elektron-fonon etkileşim parametresine büyük katkı yapmaktadır. Bunun nedeni Rutenyumun d orbitallerinin Fermi enerjisine yakın bölgede yoğunlaşmasıdır. Son olarak elektronik özgül ısı katsayısı 10,5 mJ/(mol.K^2 ) olarak bulundu. Bu sonuç deneysel değer olan 11,5 mJ/(mol.K^2 ) ile uyum içerisindedir. Kısacası Yoğunluk Fonksiyonel Teorisinin LaRu2P2'de süperiletkenliğin orijinini açıklamada başarılı olmuştur.

Abstract:
We have studied the structural, electronic, vibrational and electron-phonon interaction properties of LaRu2P2 adopting in the body-centred tetragonal ThCr2Si2 type of crystal structure with using Density Functional Theory (DFT). The calculated structural parameters are in close agreement with their experimental values. The electronic bands near the Fermi level exhibit a considerable dispersion along the c-axis, indicating that this compound is a three-dimensional metal in spite of the apparent two dimensionality in its atomic structure. From the analysis of the total and partial electronic density of states, we have observed that the states around the Fermi level are contributed by the states originating from Ru atoms, confirming their active role in determining the electronic and superconducting properties of this compound.
Using our calculated lattice constant and electronic structure, phonons in LaRu2P2 has been studied by employing a linear response approach based on density functional perturbation theory. This compound is dynamically stable, as no instabilities in the phonon dispersion relations have been found. The most impressive features in the phonon spectrum of this material are the phonon anomalies of the LA branch and the lower-lying TA1 branch along the Γ-G1-Z and Γ-N symmetry directions. We have shown that these phonon anomalies make large contributions to the accumulated electron-phonon coupling parameter.
The Eliashberg spectral function has been calculated using the phonon spectrum and the electron-phonon matrix elements. From the integration of the calculated Eliashberg function, the value of accumulated electron-phonon coupling constant λ is found to be 0,85, suggesting that LaRu2P2 is a phonon-mediated superconductor with medium electron-phonon coupling strength. Ru-related vibrations make a large contribution to the electron-coupling parameter due to considerable presence of the Ru d states near the Fermi level. Finally, the value of the electronic specific heat coefficient is calculated to be 10,5 mJ/(molK^2 ), which is in good accordance with the experimentally deduced value of 11,5 mJ/(molK^2 ) . From these results, we have concluded that DFT is succesfully explain the origin of superconductivity in LaRu2P2.