Ab Initio Study of 2D Superconductors

Abstract

The first successful synthesis of graphene reported in 2004 spawned a new gold rush for 2D materials. This class of materials is of high interest due to their many envisioned technological applications. One of these applications, that is studied in this thesis, is their potential as superconductors. Superconductivity is a phase transition where the electrical resistance of a material drops to zero. It has been researched for more than 100 years, however the most used superconductors today are still niobium based metallic compounds discovered in the 60's like Nb3Sn and NbTi. The first theoretical description of superconductivity was given by Bardeen, Cooper and Schrieffer in 1957. BCS theory is a way of describing superconductivity where electrons couple as Cooper pairs consisting of two electrons with an attractive interaction in a lattice by way of phonon mediation between them. This Cooper pair behaves as a boson when the electrons in the pair have opposite spin and momentum. The work done for this thesis consisted of determining the ideal parameters for a broad database search. This was only the first step to effectively screen a database of 2D materials for potential superconductors. To research the superconductivity in this 2D environment five new theoretical 2D materials with a high electronic occupancy at the Fermi level were selected and studied with DFT. Their critical transition temperatures were estimated based on the Migdal-Eliashberg formalism. The obtained transition temperatures ranged from 0.4 K to 3.4 K. The results showed that relatively small k-grids are enough to obtain a good estimate for the critical transition temperature of a 2D material.

A primeira síntese bem-sucedida de grafeno, relatada em 2004, gerou uma nova procura extensiva para materiais 2D. Esta classe de materiais é de grande interesse devido às suas muitas características e aplicações tecnológicas. Uma dessas aplicações, que é estudada nesta tese, é o seu potencial como supercondutores. Supercondutividade é uma transição de fase onde a resistência elétrica de um material cai para zero. Há mais de 100 anos que este fenómeno é estudadp, porém os supercondutores mais utilizados atualmente são ainda compostos metálicos à base de nióbio descobertos na década de 60 como Nb3Sn e NbTi. A primeira descrição teórica da supercondutividade foi dada por Bardeen, Cooper e Schrieffer em 1957. A teoria BCS é uma forma de descrever a supercondutividade onde os eletrões acoplam-se como pares de Cooper constituidos por dois eletrões com uma interação atrativa numa rede por meio de mediação de fonões entre eles. Este par de Cooper comporta-se como um bosão quando os eletrões do par têm spins e momentos opostos. O trabalho realizado para esta tese consistiu em determinar os parâmetros ideais para uma ampla pesquisa em bases de dados. Este foi apenas o primeiro passo para rastrear efetivamente uma base de dados de materiais 2D para possíveis supercondutores. Para pesquisar a supercondutividade neste ambiente 2D cinco novos materiais 2D teóricos com alta ocupação eletrónica no nível de Fermi foram selecionados e estudados com DFT. As suas temperaturas críticas de transição foram estimadas com base no formalismo de Migdal-Eliashberg. As temperaturas de transição obtidas variaram entre 0,4 K e 3,4 K. Os resultados mostraram que "k-grids" relativamente pequenas são suficientes para obter uma boa estimativa para a temperatura crítica de transição de um material 2D.