Strong electron-phonon coupling and phonon-induced superconductivity in tetragonal C3N4 with hole doping

四方晶系 赝势 超导电性 凝聚态物理 物理 联轴节(管道) 声子 材料科学 相(物质) 量子力学 冶金
作者
А. Н. Руденко,Danis I. Badrtdinov,Igor A. Abrikosov,M. I. Katsnelson
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (1)
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.014502
摘要

${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}$ is a recently discovered phase of carbon nitrides with the tetragonal crystal structure [D. Laniel et al., Adv. Mater. (2023), doi:10.1002/adma.202308030] that is stable at ambient conditions. ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}$ is a semiconductor exhibiting flat-band anomalies in the valence band, suggesting the emergence of many-body instabilities upon hole doping. Here, using state-of-the-art first-principles calculations we show that hole-doped ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}$ reveals strong electron-phonon coupling, leading to the formation of a gapped superconducting state. The phase transition temperatures turn out to be strongly dependent on the hole concentration. We propose that holes could be injected into ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}$ via boron doping which induces, according to our results, a rigid shift of the Fermi energy without significant modification of the electronic structure. Based on the electron-phonon coupling and Coulomb pseudopotential calculated from first principles, we conclude that the boron concentration of 6 atoms per ${\mathrm{nm}}^{3}$ would be required to reach the critical temperature of $\ensuremath{\sim}36$ K at ambient pressure.
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