高压下金属-甲烷化合物的结构及其超导电性的理论探索

实验和理论均证实一些富氢材料在高压下具有较高的超导转变温度。第IVA族元素氢化物是典型的富氢材料，在常压下是非金属。现有的研究表明(1)硅烷、锗烷和锡烷在高压下均出现压致金属化，并且具有较高的超导转变温度；(2)甲烷在高压下非但没有出现压致金属化现象，却发生了分解。作为自然界分布广泛、最简单的第VIA族元素氢化物，甲烷的高压金属性及超导电性的研究十分重要。如何使甲烷在高压下能稳定存在是深入研究的关键所在。本课题拟采用第一性原理计算方法结合结构搜索技术，通过引入典型的金属（如碱金属、碱土金属、铁、锌等）原子，寻找甲烷与金属在高压下能稳定存在的化合物。在金属原子的化学预压和外界压力的共同作用下，金属-甲烷化合物有望在较低的压力下出现金属化。我们希望从这些富含甲烷的化合物中找到新型稳定的高温超导材料，为实验研究提供新思路。

项目组系统研究了甲烷（CH4）与金属原子（Li、Mg、Ca、Zn）、（惰性）气体（He、Ne和H2）等形成甲烷化合物的高压结构及性质，同时进行了CH4-H2、NH4Br、H2S-H2和AlH3-H2等相关体系、金属氢化物（ErH3、HoH3、VH2和NbH2）、金属氮、以及MgO-ZnO合金结构相图等方面的研究。结果表明：甲烷（CH4）与金属原子反应，C-H键会被破坏，这和前人的研究结果是吻合的；而在CH4-H2、CH4-He、CH4-Ne等化合物中仍然保持CH4分子形式，在我们研究的压力范围内，这些化合物均为绝缘相。.本项目对理解甲烷与金属、气体的反应产物等方面有着重要的意义，为解决甲烷的存储问题提供重要的数据。