过渡金属化合物的高压相变与结构稳定性

The lattice, charge, spin and other degrees of freedom in transition metal compounds couple to one another, giving these materials rich physics and properties. The extreme conditions of high pressure and high temperature provide a new way to create new structures that do not exist at ambient pressure, which has become an important way for the discovery of novel transition metal compounds. In recent years, important progress has been made in the theoretical prediction and high pressure synthesis of new structures. For high pressure synthesis, however, the lack of experimental characterization of the microstructure restricts our theoretical understanding of high pressure chemistry and phase transitions. In this project, based on our previous theoretical studies on the structural stability of high pressure phases and experimental microstructure characterizations, we propose to combine first-principles calculations, molecular dynamics simulations, aberration corrected high resolution transmission electron microscopy to explore new transition metal compounds and the relationship between crystal structure, electronic structure and physical properties. The characteristics of solid-state chemical reactions and phase transitions under high pressure will be analyzed to understand the structural stability of materials at high temperatures and high pressures, providing important theoretical basis for optimizing high-pressure synthesis conditions.

过渡金属化合物中点阵、电荷、自旋等多个自由度相互耦合，赋予了这些材料丰富的物理内涵和材料性能。高温高压极端条件为创造常温常压下不存在的新结构提供了可能，成为发现新的过渡金属化合物的重要途径，近年来在新结构的理论预测与高压合成方面取得了重要进展。但是，由于缺乏高压合成材料微观结构的实验数据，制约了人们对过渡金属化合物的高压相变与结构稳定性的理论探索。在本项目中，我们基于近几年对高压结构稳定性的理论研究与材料精细结构表征方面的前期工作，结合第一性原理计算与分子动力学模拟、像差校正高分辨透射电镜表征，探索新型过渡金属化合物，揭示其晶体结构、电子结构与物理性能之间的关系；分析高压条件下的固态化学反应与固态相变特征，深入理解过渡金属化合物的高压结构稳定性，为优化高压合成条件提供重要的理论依据。

过渡金属化合物中点阵、电荷、自旋等多个自由度相互耦合，赋予了这些材料丰富的物理内涵和材料性能。高温高压极端条件为创造常温常压下不存在的新结构提供了可能，成为发现新的过渡金属化合物的重要途径，近年来在新结构的理论预测与高压合成方面取得了重要进展。但是，由于缺乏高压合成材料微观结构的实验数据，制约了人们对过渡金属化合物的高压相变与结构稳定性的理论探索。在本项目中，我们通过亚埃分辨像差校正电子显微学实验细致地分析了高压合成的过渡金属化合物中的晶体结构与缺陷，并结合第一性原理大规模并行计算，研究了立方WN和六方WN的晶体结构、电子结构、压力、温度的关系。研究表明，由于形成点缺陷，材料在高温下的组态熵显著增加，对于高温高压条件下的结构稳定性有重要影响。研究解决了此前在高压合成与理论预测方面的矛盾，为高压合成实验方案的设计提供了有价值的参考。研究预测了TaN2, CoO2, NiO2等过渡金属化合物的晶体结构和电子结构。本项目向过渡金属氧化物的表面和界面研究进行了拓展，细致研究了CeO2和Cr2O3表面、CoO、NiO、CuO的孪晶界的原子结构、电子结构及物理化学性质，揭示了一些表面亚稳态的原子结构与电子结构，以及表面相变和反常孪晶界等表面与界面现象，丰富了人们对过渡金属化合物的表面行为的认识。研究基本按计划执行，取得了比较重要的结果。共发表SCI论文12篇，培养博士研究生1名，硕士研究生8名。