利用高压单晶XRD实验数据研究压力——能量（P-E）状态方程

Pressure-volume (P-V) equation of state (EOS) could be obtained in the high pressure X-ray diffraction experiment, but pressure-energy (P-E) EOS could not. With the setting up of high precision high pressure single-crystal diffraction instrument and the more perfect of the maximum entropy method (MEM), the charge density distribution in unit cell could be calculated. Based on the orbital-free density-functional theory (OF-DFT), the total system energy could be calculated from charge density directly. Therefore, the pressure vs. energy curve was set up. This pressure-energy relationship is very important. (1) Fitting the P-E curve to Birch-Murnaghan equation, we could obtain the dynamic energy functional with higher precision. This supplies a reliable method to obtain precision energy functional for OF-DFT calculation. (2) With this precision dynamic energy function, the relation between energy and charge density could be investigated. This energy vs. charge density graphic supplied the experimental evidence for material's physical and chemical properties research. (3) The P-E EOS researching gives a new way for material character analysis with maximum entropy charge density. (4) The P-E EOS researching supplies the criterion to analysis the deviation of the Kohn-Sham density functional theory (KS-DFT).

目前，利用高压衍射实验数据只能得到材料的压力-体积状态方程（P-V）。随着高精度高压单晶衍射实验装置的建立，及最大熵电荷密度分析理论的完善，已经可以通过高压衍射实验数据恢复出晶体单胞中电荷密度分布。利用电荷密度分布结果，结合无轨道密度泛函理论（OF-DFT），可以直接计算得到单胞总能，并建立起压力-能量状态方程(P-E)。P-E状态方程的建立具有重要意义：1、通过拟合Birch-Murnaghan曲线，可以得到OF-DFT中最佳动能泛函。这为OF-DFT最佳动能泛函的建立摸索出一条可靠的途径。2、基于此最佳动能泛函，就可以计算能量与电荷密度分布（E-ρ）关系图，为研究高压环境下材料的物理、化学性质提供了直接的证据。3、P-E状态方程研究，为最大熵电荷密度在材料研究中的应用提供了一条新路径。4、实验P-E状态方程，对于完善Kohn-Sham密度泛函理论（KS-DFT）提供了重要实验依据。

利用高压衍射实验数据只能得到材料的压力—体积状态方程（P-V）,随着高精度高压单晶衍射实验装置的建立，及最大熵电荷密度分析理论的完善，已经可以通过高压衍射实验数据恢复出晶体单胞中电荷密度分布。项目希望基于高精度高压衍射实验数据恢复出晶体单胞中电荷密度分布，并利用电荷密度分布结果，结合无轨道密度泛函理论（OF-DFT），直接计算得到单胞总能，并建立压力——能量状态方程(P-E)。在项目实施过程中，我们对单晶实验及数据分析过程有了更多的了解和更全面的掌握，完成了Ge和LaB6的高压单晶衍射实验，并对实验数据进行了分析与处理，获得了样品的结构信息，并进一步得到了相应压力条件下的电荷密度分布结果。但是在通过理论模型及计算软件得到晶体单胞总能的过程中遇到了一些困难。在项目实施过程中，我们提出了对晶体未知结构解析判据，以及晶体电荷密度重建准确性评估函数，并已分别在学术期刊上进行了发表。