高压下新型铋金属间化合物结构与性质的理论研究

Exploring the high-temperature superconductors have always been the focus of the condensed matter physics. In recent years, bismuth intermetallic compounds with superconductivity have been synthesized under high pressure, which caused extensive concerns of people. In this project, we intend to systematically investigate the intermetallic compounds synthetized under high pressure by the group IIA (Be, Mg, Sr, Ba) or transition metal (Cu, Co) and bismuth using the first principle calculation based on density functional theory combining with the crystal structure search technology. It aims to explore stable stoichiometries, crystal structures and structural phase transition process of bismuth intermetallic compounds at high pressure, as well as construct the pressure-composition phase diagram. The interatomic interaction and bonding mode need to be studied in depth, revealing the mechanism of high-pressure synthesis. We will study the electronic structure, lattice vibration and electron-phonon interaction of bismuth intermetallic compounds under high pressure, and provide the conditions of metallization and superconductivity, in order to find bismuth intermetallic compounds with high superconducting transition temperature. Through the implementation of the project, it can deepen our understanding of bismuth intermetallic compounds, provide important data and guidance for the research of bismuth intermetallic compounds under high pressure, and provide new ideas for the exploration of high temperature superconducting materials.

探索高温超导体一直是凝聚态物理研究领域的热点课题。近几年，在高压下合成出铋金属间化合物，并且具有良好的超导电性，引起了人们的广泛关注。本项目拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合晶体结构搜寻软件，选择第II主族元素（Be，Mg，Sr，Ba）和过渡金属元素（Cu，Co）与铋在高压下形成的金属间化合物为研究对象，探索其在高压下的稳定配比、晶体结构及相变规律，构建体系高压相图；深入研究铋金属间化合物中原子间相互作用、键合方式，揭示高压合成机理；深入认识高压下铋金属间化合物的电子结构、晶格振动、电子-声子相互作用等微观物理机制，确定金属化、超导电性出现的条件及随压力的变化行为，以期发现较高超导转变温度的铋金属间化合物。通过该项目的实施，可以加深对铋金属间化合物的理解，为高压下铋金属间化合物的实验研究提供重要的数据和参考，为寻找高温超导材料提供新的研究思路。

本项目拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合晶体结构预测技术，对铋金属间化合物进行高压下的理论模拟，从而确定其高压稳定结构，获得高压相变过程及规律。本项目的主要成果如下：（1）我们对镁-铋体系进行了高压理论模拟。构建其高压相图，获得了几种高压下稳定存在的新型配比Mg3Bi，MgBi，MgBi2，MgBi3。并探讨了它们的电子结构，发现这些结构表现出金属化特性，同时通过ELF和Bader电荷分析表明，Mg和Bi之间是离子键且电荷从Mg原子转移到Bi原子。发现Cmmm-MgBi在10 GPa时的超导转变稳定为8.19 K。其中研究表明铋原子的振动对超导转变稳定贡献很大。（2）在前期研究基础上，结合国际热点科学问题，对几种磷化物体系(K-P, Mg-P, S-P)、钾-铟，钾-镓体系进行高压下的稳定配比、晶体结构、电子性质及超导电性的研究。在磷化物体系中，磷原子以不同的形式存在。并发现了几种新型超导材料，其中I4/mmm-KP2在5 GPa时的超导转变温度为22.01 K。MgP，MgP2 和MgP3 的超导转变温度在4.3-20 K范围内。P2S-C2/m-I，P2S-C2/m-II，PS-P21/m，PS2-C2/m和PS2-P-3m1的超导转变温度在1.5-4.3 K。在钾-铟，钾-镓体系中，发现了几种高压下稳定的配比，并且在这些结构中，铟和镓均形成了不同的形貌单元。（3）基于密度泛函理论，我们对具有电子化合物的镁-溴，钙-硫体系进行了系统的研究。发现在镁-溴体系中，出现了一个新的电子化合物I4/mmm-Mg4Br，同时我们发现在I4/mmm-Mg4Br和Pm-3m-MgBr中Br的氧化态接近-2的现象。P21/m-MgBr3和I-42m-MgBr3表现出超导电性，其超导转变温度分别是23.2和0.49 K。在钙-硫体系中，我们预测到了几种超导体，其中P4mbm-Ca3S的超导转变温度约20 K。同时在60和50 GPa，发现了两种高压电子化合物P21/m-Ca3S和Pnma-Ca2S，其中P21/m-Ca3S的超导转变温度为7.04 K。以上工作的研究不仅加深了人们对其高压晶体结构及其相应性质的了解，也极大的推动人们寻找和设计新的超导体。