高压下第四主族元素四甲基类富氢电子材料的金属化和超导电性研究

Metallic hydrogen has been predicted to be a high temperature superconductorunder pressure, whereas the pressure inducing the metallization is beyond the limit of the present static high-pressure technology. Instead of pure hydrogen, hydrogen-rich electronic materials may be a shortcut way for exploring superconductivity of the metallic hydrogen, in which hydrogen atoms under the chemical pressure imposed by the surrounding atomic environment can lower the needed physical pressure. The recent breakthrough in the discovery of superconductivity above record high 190 K in H2S compound. Here, we propose to explore the metallization and superconductivity of the tetra-alkyl compounds of goupe IVa elements under pressure. Our previous research has proved that these compounds exist without decomposition under pressure. A possible half-metaliic state of Si(CH3)4 at 96 GPa was observed by raman spactroscopy. In this project, we will achieve richer appearance charecterised as the metallization at higher pressure, determine the structures by powder synchrotron x-ray diffraction, and perform the electric transport measurement to search the possible superconductivity in order to gain finally the superconducting behaviors.

金属氢被预言在高压是一个高温乃至室温量级的超导体，然而由于诱发其金属化所需要的压力过高，超出了目前静高压技术的极限。使用富氢电子材料代替氢探索其超导机理，这一方法近年已经广泛施行，这是因为富氢体系中氢原子处在周围原子所施加化学压力环境中，从而降低了外部所需施加的物理压力。最近，科学家已经在硫化氢这一组分中发现了190K的超导转变温度，刷新了高温超导体保持的记录。这里我们提出利用高压手段在第四主族元素四甲基化合物这一组富氢材料体系中探索其金属化与超导电性。我们前期的研究初步证明这组化合物在高压下存在稳定的相，通过拉曼光谱研究发现其中一个组分四甲基硅烷在96GPa出现了可能的半金属态。本课题将在更高的压力下获得该组材料更为丰富的金属化特征，并利用同步辐射X光衍射技术确定其金属态结构，进行高压电输运测量探索其可能的超导转变温度，以期获得该系列材料的高压超导行为。

寻找“金属氢”及其可能的超导电性一直是科学家追求的目标。Ashcroft 为了规避高压实验技术的瓶颈，考虑到“化学预压”作用，另辟蹊径选择了富氢电子材料作为替代。基于前期高压下第四主族元素四甲基材料的研究结果：第四主族元素四甲基类材料在高压下存在稳定的相，低压区就出现了一些新奇的物理现象，并且随着压力提升不会发生分解或异质化，这些都为高压下实现该系列材料的金属化奠定了基础。但富氢电子材料种类繁多，例如碱金属多氢化物 AHn(A=Li, Na, K, Rb, Cs, n>1)，碱土金属多氢化物 AeHn(Ae=Be, Mg, Ca, Sr, Ba, n>2)，第三主族氢化物AlH3, GaH3，第四主族元素氢化物 CH4, SiH4, GeH4, SnH4 和 PbH4，过渡金属及稀土金属氢化物 ScH3, YH3, LaH3等等。每种富氢材料都被科研者开展了不同层次的研究，从起初SiH4实现了17.5K的超导温度，2014年H2S破天荒实现了190K的高温超导记录，最近Mikhail Eremets课题组又在高压下实现了LaH10材料250K的超导转变温度。因此，在项目资助下，我们首先完善了高压下四甲基硅烷的结构特征，对比同类型材料的结构参数发现四甲基硅烷高压下出现的P21/c空间结构，其异常的β角成为该系列材料高压下不发生分解或异质化的诱因。该材料更高压力下的拉曼光谱结果显示，新的模式在100GPa左右（预示着高压下新的相结构的出现）出现了软化行为，这和纯氢在220GPa时出现的光谱现象一致，并被预测氢可能进入了一个半金属的状态，而我们的压力远远地低，这同样证实了实现高压下该类材料金属化和超导电性的容易程度。考虑到甲基基团的优势，我们也选择了由第六主族元素（S，Se）和甲基基团组成的化合物开展高压下这些材料的金属化探索。二甲基硫和二甲基硒在高压下都存在着稳定的相结构，对比于第四主族元素四甲基组成分材料，二甲基硫的确更早地出现了低压下的模式软化，这意味着该材料在高压下更易结晶，通过晶格作用影响氢元素的构造，这些都为该材料在更高压力下实现了金属化提供了良好的基础。更惊奇的是，四甲基硒根本没有发现软化行为就发生了结晶，意味着二甲基硒更易受到压力影响。另外，该项目也资助了碳点类发光材料的制备及应用研究。