电子、空穴掺杂三元富氢化合物NaBH4高温超导电性的理论探究

In the progress of exploration of the high-temperature superconductivity in hydrogen-rich compounds, previous investigations have mainly focused on applying pressure on the main group IV hydrides or some other hydrides to achieve metallization and develop superconductivity. As an alternative to applying pressure, another possibility for producing an insulator-metal transition and superconductivity is chemical doping. However, to our best knowledge, for the binary main group IV hydrides or some other hydrides, due to the strong covalence between hydrogen and hydrogen, or main group elements and hydrogen, there is no report on the doping of them. Thus, it is quite necessary to search for the new hydrogen-rich materials with ionic bonding to develop superconductivity through chemical doping. In this project we, based on first-principles calculations, present the investigations of the doping of the ternary hydrogen-rich compound NaBH4. The electron or hole doping of NaBH4 through partial substitution of Na by suitable elements, or if possible, by the removal of partial Na, can produce an insulator-metal transition and develop high-temperature superconductivity. The success of implement of this project will provide valuable theoretical results for the exploration of the high-temperature superconductivity in hydrogen-rich compounds, as well as the guidance for the future experiments.

在实现富氢化合物高温超导电性的探索研究中，以有的研究主要集中在对第四主族氢化物或对其他一些二元氢化物施加压力来完成其金属化，实现超导电性。除了施加压力以外，使材料发生绝缘体-金属转变产生超导电性的另一种方法是化学掺杂。然而，对于第四主族氢化物或其他一些氢化物这些二元材料，由于氢与氢之间或主族元素与氢之间较强的共价相互作用，至今还未出现过其掺杂方面的报道。因而，有必要寻找其他富氢，并且包含离子键，相对容易掺杂的材料，通过掺杂来实现高温超导。本项目拟基于第一性原理计算来模拟研究，寻找适合的元素来完成对三元富氢化合物NaBH4中Na格点位的部分替代掺杂(电子掺杂)，研究能否去掉部分的Na(空穴掺杂)，使其发生绝缘体-金属转变，进而具有高温超导电性。该项目的成功实施，将为富氢化合物高温超导电性的探索研究提供有价值的理论研究成果，并指明将来实验进行的方向。

在实现富氢化合物高温超导电性的探索中，以有的研究主要集中在对第四主族氢化物或对其他一些二元氢化物施加压力来完成其金属化，实现超导电性。除了施加压力以外，使材料发生绝缘体-金属转变产生超导电性的另一种方法是化学掺杂。本项目基于第一性原理计算来模拟研究，寻找适合的元素来完成对三元富氢化合物NaBH4中Na的部分替代掺杂(电子掺杂)，或去掉部分的Na(空穴掺杂)后,使其发生绝缘体-金属转变，进而可能具有高温超导电性。.我们得到的具体结果为：NaBH4是宽隙半导体，带隙约为5.9 eV; 格动力计算表明其四方结构具有晶格稳定性。本项目需要重点研究的是其掺杂后的稳定性，以及可能的超导电性。掺杂分为电子掺杂以及空穴掺杂。对于电子掺杂，我们模拟了Na0.95Ca0.05BH4，对于空穴掺杂，我们采用刚性带平移法模拟研究了原胞去0.5电子的NaBH4(-0.5)。.1）电子掺杂Na0.95Ca0.05BH4.超原胞计算得到其形成能为负，说明其热力学稳定性；超原胞计算和虚晶近似计算其声子谱，证明其格动力稳定性；采用虚晶近似计算了Eliashberge谱函数进而求得其电-声耦合强度为1.41，说明其有很强的电声耦合。而声子频率对数平均值则比较小，仅为196 K。如果采用常用的Allen-Dynes修改的McMillan公式得到超导转变温度Tc是21 K。注意到此公式适用于电-声耦合强度小于1.25情况，如果采用强耦合公式，得到的T*c可以高达95 K。.2）空穴掺杂NaBH4(-0.5).其形成能为负，说明其热力学稳定性；超胞计算出现一个很大虚频表明其四方晶格的不稳定性。但为了测试空穴掺杂后的电-声耦合强度，我们仍然采用刚带平移法了研究了超导电性，电-声耦合强度高达3.26。超导转变温度Tc和T*c高达36 K和217K。这说明如果空穴掺杂其他金属硼氢化物有可能得到高温超导体。掺杂多原子富氢离子共价化合物可以产生高温超导电性。. 该项目的实施，为富氢化合物高温超导电性的探索研究提供有一定价值的理论研究成果，并指明实验可能进行的方向。