高压下卤族元素材料的结构与物性研究

High pressure played an important role in the change of materials structure, properties and synthetic of new materials. The elements are the most fundamental materials and their high-pressure behavior has always attracted the attention of many researchers.The complex structures under high pressure, metallization,molecular dissociation and superconductivity are the important physical problems in condensed matter. Halogens elements (fluorine, chlorine, bromine,iodine and astatine) have been known as a prototype material belonging to these categories. In our preliminary study for Cl, the structural transition sequences and the pressure of pressure-induced metallization and molecular dissociation was given. Therefore, the high-pressure research on the other halogens elements is expected to get the original innovation. The project intends to extensively explore the crystal structures of fluorine bromine astatine and characterize the pressure-induced structural transition sequences, and determined the experiment structure of bromine, by uysing first principle method and crystal structure prediction algorithm. The systemic study of the structures and their electronic properties,lattice dynamical properties,raman spectra would provide more insight into the molecular dissociation mechanism and provide important theoretical support for the research of other diatomic molecule.

高压在改变材料结构、性质以及合成新材料等方面有着非常重要的作用。元素单质是构成物质世界的最基本物质，其高压研究一直倍受关注。其中，元素的高压复杂结构、压致金属化、分子解离以及高压超导电性等是高压下物理研究的重要方面。卤族元素（氟、氯、溴、碘和砹）为我们提供了这方面的研究对象。项目组通过对氯的初步研究，给出了其高压相变序列，确定了其分子解离和金属化压力等。因此，理论上对其它卤族元素的高压研究有望获得创新成果。本项目拟采用第一性原理方法和基于粒子群优化算法的晶体结构预测新技术，系统研究氟、溴、碘和砹的高压结构，建立其高压相变序列，确定实验上尚未确定的溴的高压结构。通过分析这些结构以及它们的电子性质、晶格动力学性质、拉曼谱等，揭示高压下分子解离机制，为其它双原子分子的研究提供重要的理论支撑。

元素单质是构成物质世界的最基本物质，其高压研究一直倍受关注。高压在改变材料结构、性质以及合成新材料等方面有着非常重要的作用。元素的高压复杂结构、压致金属化、分子解离以及高压超导电性等是高压下物理研究的重要方面。本研究主要集中在得到卤族元素高压相变序列并探究其性质方面、材料的宏观性能以及材料的微观机制方面。主要取得以下研究成果：（1）用CALYPSO预测了Br的高压结构，用VASP进行优化，得到了Br高压焓差曲线图，确定了Br的高压相变序列为Cmca→非公度结构→bco→bct→fcc，并给出了非公度结构的信息。（2）建立了Br结构及电子性质随高压的变化规律，得到了Br的金属化压力。（3）氟虽然在常压时的结构与氧相同，但我们用第一性原理预测其在28 GPa下会相变到碘的Cmca结构，2154 GPa下相变到bco，之后相变到bct相，为氟高压属性的研究奠定了基础。（4）获得了氟化物PbF2在633 K的中子散射谱，计算得到了原子间相关效应值。通过MEM分析得到了原子核密度图。通过相关效应值和Debye-Waller温度参数，由力常数公式计算了各原子间的力常数，为该物质其它方面的研究提供了原始数据。（5）通过第一性原理计算，确定了元素钇高压dfcc结构为hR24，确定了钇的高压相变序列，并给出了具体的相变压力。解决了dfcc结构长期存在的争议问题，对其它元素高压结构及性质的研究有重要的指导意义。（6）在上述研究之外，我们还用CALYPSO预测了RuSi晶体结构、和团簇结构，用一性原理方法计算了手扶椅式石墨烯纳米带的电子属性等。课题组得到了一系列重要研究成果，发表学术论文18篇，其中4篇SCI、2篇EI，撰写一本专著，申请了两项发明专利，不仅较好的完成了原定的科研计划，还做了一定的扩展工作。我们期望这些研究成果能够对今后卤族元素及其化合物高压研究工作起到一定的推动作用。