高压下钠钾化合物的结构相变与机理的理论研究

In physical research of condensed matter, alkali metals are important in the establishment of basic physical images of electronic structures of metals. Since there is only one s electron in the outermost shell, alkali metals have been considered to be the “simplest metal” for a long time. Under high pressure, however, these systems are no longer simple but crystallize in complex structures and show unexpected properties. Compression induced charge transfer and redistribution is the basis for further understanding of these complex behaviors. Based on the fundamental principles of quantum mechanics, we will theoretically investigate the structures and phase stability of NamKn (m, n = 1-6) at finite temperatures up to 500 GPa, exploring the quantum behavior in Na-K bonding and establishing the corresponding physical model. Through this project, we can get the essential knowledge about the thermodynamics, equation of states and phase diagram of Na-K system. The obtained results will deepen our current understanding and provide a regular cognition of alkali metals under high pressure, which are invaluable for further exploring and controlling the compression behavior of alkali metals.

在凝聚态物理学研究中，碱金属对建立基本金属电子结构的物理图像十分重要。由于最外层只有一个s电子，碱金属长期以来被视为最简单的金属。然而，在高压条件下简单金属变得不再简单，并呈现出一系列复杂的晶体结构和奇异的物性行为。压缩导致的电子转移和再分布是进一步理解这些复杂行为的基础。在本项目中，我们将基于量子力学的基本原理，利用理论方法研究有限温度下NamKn(m,n=1-6)在500GPa压力范围内的结构和稳定性，探索电子在Na-K结合时的量子行为，建立相应的物理模型，获得相应的热力学性质、状态方程和相图。通过本项目研究的开展，希望获得碱金属高压物性的规律性认识和理解，为探索和控制碱金属的压缩行为提供理论参考。

本项目采用CALYPSO方法结合第一性原理计算，研究了不同化学计量的NaxK (x = 1/4、1/3、1/2、2/ 3,3 /4、4/ 3,3 /2和1−4)在高压 (0 – 500Pa)下的化学稳定性。由于Na2K→NaK + Na的分解反应，Na2K在5−35 GPa时是不稳定的，与实验结果吻合较好。随着压力的增加，Na和K之间的电荷转移行为相反，NaK经历了组合-分解-复合过程。除NaK外，还发现了两种未知化合物NaK3和Na3K2。NaK3是一种典型的金属合金，而Na3K2是一种具有强间隙电子局域化的电子化合物。当考虑温度效应时，Fd3m结构的NaK相对Ibmm结构在高温下的稳定性更高，当温度升高时，其发生Fd3m→Ibmm相变所需的压力逐渐增大。相对于单质Na和K而言，温度也不利于Ibmm-NaK的合成.类似的，对于Pnmm结构的NaK3，在高温下合成所需的压力也越高。而对于Na3K2则完全相反，即温度升高使得Cmmm-Na3K2更容易合成。