50GPa以内轻质Mg-Li-X (X = B, Al)体系结构与物性的理论设计研究

Mg-Li-X (X = B, Al) system under ambient pressure has been studied extensively owing to its outerstanding mechanical or superconducting properties. However, high-pressure structural info of this system is still scarce and the investigations on the corresponding physical properties of those new compounds induced by high pressure are also seldom reported. In this project, even without any experimental data, we are planning to theoretically predict the stable crystal structures of Mg-Li-B and Mg-Li-Al systems within 50 GPa and build reliable high-pressure phase diagrams by using the advanced ab-initio evolutonary simulations, applying the optimized evolutionary operators, and considering the newly developed variable composition search technique except for the fixed composition search techniques. Further electronic structure calculations and analysis on elastic property, lattice dynamics, and electron-phonon coupling are performed in order to investigate the mechanical, thermodynamical, and superconducting properties of some novel high-pressure phases and finally to explore some new high-pressure compounds with excellent mechanical or superconducting property. The desired investigations would provide the fundamental data and essential guide for the ongoing high-pressure experiments and theoretical calculations in the related field.

常压下，Mg-Li-X（X = B，Al）体系因其具有优异的力学或超导电学性质已被广泛研究，但该体系的高压结构信息仍十分匮乏，高压致使产生的新型化合物所具有相关物性的研究也鲜见报道。本项目采用先进的从头算进化模拟方法，变成份与定成份结构搜索技术相结合，在不需要任何实验结构信息的前提下,通过施加优化的进化操作参数,理论预测出Mg-Li-B和Mg-Li-Al体系在50 GPa压力范围内的稳定结构，建立可信的高压相图，进一步对部分新奇高压相进行弹性性质、晶格动力学以及电子–声子耦合作用等方面的电子结构计算与分析，研究其力学、热力学、高压超导电学等物性，理论设计出2-3种具有优异力学性质或电学性质的Mg-Li-X（X = B，Al）体系的新型高压化合物，为该领域的高压实验研究与理论计算提供基础数据和必要的理论指导。

常压下，由碱金属、碱土金属及硼元素组成的二元化合物因具有优异的力学或超导电学性质已被广泛关注，但这类化合物的晶体结构信息仍十分匮乏，高压致使产生的新型化合物所具有的相关物性研究也鲜见报道。本项目采用先进的从头算进化结构预测与第一性原理计算相结合的方法，对Li-B体系、NaB3、NH3BH3等硼化物的高压晶体结构、电子结构、高压超导及热电性能进行了系统深入的理论研究。主要得到如下结论。.（1）构建了常压下Li-B体系形成焓凸包图，并确定了一系列稳定的Li-B体系化合物，包括Li6B5，LiB2和LiB3。Li6B5属于三角晶系R32空间群，其晶胞中含有被Li原子包围的直线B原子长链。其整体呈现金属性，但电声耦合计算显示其电声耦合强度不高，使得其超导临界转变温度Tc较低。预测的正交晶系LiB2(Pnma)和四方晶系LiB3(P4/mbm)都是零带隙半金属且具有良好的热电性能（尤其是LiB3）。此外，LiB2还是一种含有零质量Dirac费米子的三维体材料。该发现丰富了Li-B体系二元化合物在常压下的晶体结构数据库，为进一步实验研究提供基础数据和重要的理论依据。.（2）NaB3的高压行为研究表明：在0-30 GPa压力范围内，NaB3会由四方P4/mbm相转变成正交Cmmm相，相变压力为23.4 GPa。P4/mbm相是直接带隙半导体，而Cmmm相是间接带隙半导体。首次发现NaB3具有潜在的热电性能应用且其热电输运性质表现出明显的各向异性。对于P4/mbm相，尽管可以在化学势μ = 0.242 eV处通过n-型掺杂来获得较高的Seebeck系数，但是由于较低的电导率，直接导致P4/mbm相较小的功率因子。在实验上对Cmmm相通过p-型掺杂可有效提高NaB3的热电性能。这些发现为热电材料的研究开辟了一个新的研究体系并提供方向性指导。.（3）对NH3BH3在2-30 GPa压力范围内的高压结构稳定性进行了详细研究。随着压力的增加，NH3BH3的低压Cmc21相首先在3.7 GPa转变为单斜的Cm相，然后在25 GPa转变成单斜的C2/m相，且分别伴随产生7.6%和1.8%的体积收缩。首次发现Cm和C2/m相的晶体结构中都存在着明显的H2结构单元，并形成了一种新的非常规的N-H...H-H和B-H...H-H双氢键。该发现将有利于NH3BH3的高压实验晶体结构以及放氢机理的研究。