氢化物和富氢化物高压下的复杂晶体结构和相变及超导性的研究

Recently, experimental scientists discovered the superconducting property of H2S under high pressure with a superconducting critical temperature Tc of 203K, and metallic hydrogen was obtained under a quite high pressure (495GPa). At present, most theoretical studies were focused on hydrides and hydrogen-rich hydrides based on simple and basic cells with fewer atoms. There is a lack of studies on complex cells and multicomponent systems. We will apply GA/TB&DFT method to search for complex cells of 2- and 3-component hydride and hydrogen-rich crystal structures and obtain the relatively more stable cell sizes and corresponding most stable structures. On this basis, we will study on their phase transitions under high pressure, superconducting critical temperature Tc, and stability of hydrogen-rich hydrides and possible dissociation with respect to hydrides.

最近实验科学家发现了高压下硫化氢的高温超导性（Tc=203K）和极端压强（495GPa）下的金属氢。目前对氢化物和富氢化物的理论研究大多数是基于原子数较少的简单晶胞体系，对复杂晶胞和多元体系的研究比较缺乏。我们拟采用GA/TB&DFT方法搜索高压下的二元与三元氢化物和富氢化物的复杂晶体结构，获得它们高压下的相对比较稳定的晶胞尺度及其最稳定结构。在此基础上，研究氢化物和富氢化物在高压下的结构相变、超导临界温度Tc、和富氢化物相对氢化物的稳定性及可能发生的解离。

在本基金项目执行过程中，我们主要在高压下氢化物超导电性方向进行了持续探索和研究。在氢化物超导电性的研究中，采用遗传算法（GA）搜索了高压下氢化物的不同化学计量比体系的最稳定结构，并采用DFT方法对其能带和超导电性进行了计算分析和预测。所研究的氢化物体系包括金属原子掺杂的硼氢化物Ca-B-H，三元钇氢化合物K-Y-H和Ba-Y-H体系，三元锂氢和钛氢化物Li-Se-H、Li-Ti-H和P-Ti-H体系，三元铁硒氢化物Fe-Se-H体系，三元钙氢化物Ca-La-H、Ca-K-H、Ca-Na-H体系等；二元氢化物体系U-H、B-H、S-H，Se-H等体系等。另外，开展了电子关联矩阵重整化（CMR）和Gutzwiller共轭梯度极小化（GCGM）方法研究、及分子动力学和电子动力学模拟研究。本项目研究的一个重要成果是在氢化物超导研究中发现C2/m-CaLaH12、P4/mmm-CaKH14、R-3m-LiTiH6在相对低的压强25-50GPa下呈现出超导性。C2/m-CaLaH12结构在30-55GPa时稳定，30GPa时Tc为49K，并且CaLaH12具有较大的热力学稳定性，有望成为一种优良的超导体。P4/mmm-CaKH14相在25-200GPa是动力学稳定的，该体系在较低压强25GPa下也呈现了超导电性Tc为11.4K。我们还发现在50-200GPa下的LiTiH6体系的R-3m相为金属相，R-3m-LiTiH6在50GPa时的Tc预测值为69K。这几类氢化物在相对低的压强下显现出超导性。