MedeA在磁性拓扑绝缘体材料中的应用案例

EuSn2As2结构相变的高压拉曼研究

磁性拓扑绝缘体、结构相变、声子Phonon、拉曼光谱、自由能

1. 案例背景

近年来，拓扑绝缘体因其独特的能带结构和量子特性成为了凝聚态物理领域热门的研究课题，EuSn2As2是一个本征磁性拓扑绝缘体。研究者发现，EuSn2As2在约5 GPa和15 GPa时，在低温区出现了“绝缘-金属-超导”的物态转变，并伴随着新的高压结构。同时，通过XRD测量，发现EuSn2As2在高压下产生晶格畸变形成γ-EuSn2As2结构。目前还没有对EuSn2As2在常压及高压下拉曼性质的研究。因此本案例作者对EuSn2As2进行了高压原位拉曼散射测量，并结合第一性原理计算系统地研究了EuSn2As2在压力下振动行为的演变。

2. 建模与计算方法

作者通过MedeA Environment 创建了EuSn2As2晶胞，空间群：R3m（No.166）；晶胞尺寸及角度：a = 4.202Å，c = 26.157Å，γ = 120°；Eu、Sn和As原子分别占据六方晶格的3a (0.0, 0.0, 0.0)、6c (0.0, 0.0, 0.7907)和 6c (0.0, 0.0, 0.5950)位置。随后作者采用MedeA VASP模块中GGA-PBE方法对结构进行优化；MedeA Phonon计算了Gibbs自由能及0 GPa下的拉曼光谱和振动模式。截断能650 eV；考虑过渡金属f轨道强耦合作用，采用hubbard U校正(UEu = 5 eV）。

3. 结果与讨论

3.1 声子振动性质分析

图1 EuSn2As2结构及其在R-3m (D53d)对称性下的四个拉曼活性模式的原子位移

作者在MedeA Environment中构建了EuSn2As2结构，对其进行了声子模式分析。根据群论理论，布里渊区中心应有10种声子模式，其分解如下：T10 = 2A1g + 3A2u + 3Eu + 2Eg。其中包括四个拉曼活性模式（2个A1g和2个Eg）、四个红外活性模式（2个A2u和2个Eu）以及两个声学分支（A2u和Eu），其振动模式如图1所示。作者利用MedeA Phonon基于EuSn2As2材料的原胞在0 GPa下计算了Gamma点的声子频率和红外强度，计算结果和实验结果整理在表1当中。实验上检测到四个拉曼振动模式与计算结果具有很好的一致性。

表1 环境压力下EuSn2As2实验与计算声子模式的对比。

3.2 相变分析

为了评估结构相变的热力学可行性，作者又利用MedeA Phonon计算了α-和β-EuSn2As2结构在不同压力下的Gibbs能。如图2a所示，在10 GPa压力下显示当温度升高至455 K时β相比α相更稳定；在13 GPa压力下，显示当温度升高至250 K时β相比α相更稳定；然而在15和18 GPa压力下，在0-700 K的整个温度范围内β相都比α相稳定。为此作者绘制了在0和300K时α和β结构的相对Gibbs能量与压力的函数曲线，如图2b所示，得到了在室温（300 K）下的相变压力为12.37 GPa，这与拉曼实验观察到的相变压力12.45 GPa几乎相同。

图2 (a) α-和β-EuSn2As2结构在10、13、15和18 GPa时的Gibbs能量。(b) 在0和300 K时α-和β-EuSn2As2结构的相对Gibbs能量随压力的变化关系

4. 总结与展望

本案结合高压原位拉曼散射测量及第一性原理计算研究了EuSn2As2在改变压力条件下的晶格振动性质。实验观察到了EuSn2As2在环境压力下的四个拉曼活性模式（2A1g + 2Eg），并通过第一性原理计算得到确认。在压力作用下，拉曼模式的频率、强度和线宽在3和12.45 GPa附近发生了异常变化，这为最近通过从头计算和XRD测量发现的从α-到β-EuSn2As2相的两步式结构相变提供了证据。这些发现建立了晶格振动模式的变化和结构相变之间的关系，加深了我们对层状磁性拓扑绝缘体的认识，为更多工作的开展提供了指导。

参考文献：

DOI:

https://doi.org/10.1063/5.0123813