高压下富氢化合物超导性质的理论研究

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自超导体被发现以来,由于其优越的电磁特性和广泛的应用前景,百余年来一直吸引着众多科学家的目光,寻找可实用化的高温超导材料也是人们一直努力的方向。BCS理论作为第一个成功解释超导现象的微观理论,为科学家们探索传统高温超导体提供了重要的理论基础。基于BCS理论,高德拜温度和强电子-声子耦合对提高声子介导超导体的临界温度至关重要。因此,作为原子质量最小的元素,金属化的氢被认为是高温甚至是室温超导的理想材料,但是氢在常压下是绝缘的。正如我们所知,高压条件可以改变材料的物性,是绝缘体-金属转变的有效手段。早在二十世纪三十年代,就有科学家讨论了氢在压力高于25万大气压时呈现出金属特征的可能性。1968年,Ashcroft明确指出,实现金属化的氢将是理想的高温超导体。然而大量的研究表明,固体氢金属化需要极高的压力条件,实现超导转变更是相当具有挑战性的。后来,Ashcroft教授从理论上扩展了先前对金属氢高温超导性的预测,他认为富氢材料(如第四主族氢化物)由于氢原子受到其他元素的“化学预压”作用,可能在较低的压力下实现金属化,同样可以作为高温超导体的候选材料。因此,作为金属氢的替代方案,许多实验和理论工作者开始致力于研究压缩氢化物的金属化和超导性质。本文通过晶体结构预测和第一性原理计算,对二元La-H体系和三元N-Si-H体系的高压相图、晶体结构、热力学及动力学稳定性、电子性质和超导性质等方面展开研究,具体内容如下:(1)我们利用基于粒子群优化算法的CALYPSO晶体结构预测软件对La-H化合物在0-150 GPa的晶体结构进行了系统的搜索。通过计算相对于单质La和H的形成焓发现了La-H体系中一些热力学稳定的化合物,并进一步研究了稳定化合物I4/mmm-La H4和P-1-La H5的电子性质和超导性质。电声耦合计算发现La H4和La H5的超导转变温度在150 GPa分别为74-85 K和42-53 K,其中电声耦合强度主要是由氢原子的振动模式贡献的,这对改善超导温度起决定性作用。(2)利用CALYPSO晶体结构预测软件探索了N-Si-H体系在300 GPa下的晶体结构,并结合第一性原理计算研究了体系的高压相图、电子性质和超导性质。理论研究发现,具有最低正形成焓的亚稳相NSi H11(空间群:P21/m),其结构中包含了大量的H2单元,ELF计算显示出H2单元之间的弱共价键特征。我们的超导计算结果表明在300 GPa下NSi H11的超导转变温度约为110 K,是一种潜在的高温超导体。在高压下N原子与Si-H体系之间存在相互作用,这对提高Si-H体系的超导性质也具有一定的作用。我们目前的研究结果对进一步在高压下合成三元氢化物的实验研究提供了新的超导候选材料。
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