高压下二元硼硫及三元氢硼硫化合物稳定性和电子性质的理论研究

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新材料的研发一直是物理/化学领域的重要研究课题。压力作为一种基本物理学参量,已成为获取具有优异性能新材料的有效方法。但高压实验通常研发周期较长、需要成本较高且条件较为苛刻。与实验相比,计算机模拟技术速度快、成本低而且可以超越现有实验技术的压力极限。因此,理论计算常常处于高压科学的前沿领域,无论是在推动基础科学发展还是在新材料研发方面都起到重要作用,如受理论计算启发富氢化合物超导电性的突破性进展。考虑到二元氢-硫、氢-硼和硼-硫化合物显示出的丰富的化学计量比、独特的结构以及广泛的应用,值得期待的是,它们可能在压力的调控下也会形成具有奇特性质的三元化合物。我们基于第一性原理计算探究了高压下二元B-S以及三元H-B-S体系的结构、稳定性以及电子性质,主要研究内容及结果如下:二元B-S体系的高压相图、电子性质和超导电性的理论研究。利用第一性原理群体智能结构搜索方法探究了不同组分BxSy(x=1,y=1-5;x=1-5,y=1;x=2,y=3;x=3,y=2)的B-S二元化合物在高压下(300 GPa以内)的稳定性。研究表明,B-S化合物在208 GPa以上倾向于分解为组成元素B和S单质。此外,在较低压力范围内,理论计算发现了两个富S组分稳定相B2S3和BS2,分别显示出半导体和金属特性。值得注意的是,BS2在200 GPa下展现出超导转变温度约为21.9 K的超导电性,该化合物为体相二元B-S化合物中发现的首例超导体。理论计算研究H-B-S三元化合物的高压结构、稳定性和电子性质。基于先进的结构搜索技术,我们可靠地确定了H-B-S三元化合物在0至200 GPa压力范围内的相稳定性。斜方Ama2相HBS化合物首次被提出且研究表明该化合物在25 GPa以上是稳定的,其中B和S原子交替连接形成扭曲的链,而H与B原子通过共价键键合。我们详细研究了该结构的电子性质,计算表明Ama2 HBS在低压下具有半导体性质,随着压力的升高发生了半导体到金属的转变,在更高的压力下会进一步转变成超导体。作为H-B-S体系中在压力下唯一稳定的化合物,HBS表现出明显压力相关的电子性质。我们的工作不但丰富了压力下B-S及H-B-S体系的晶体结构,还加深了对其电子性质的理解。
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