高压下新型含“氢笼”超导材料的设计

Room-temperature superconductivity has been a long pursuing dream. Recently, the high-Tc values of 200 K in the compressing hydrogen (H) sulfides sample on the experiment demonstrate the huge potential of H-rich materials for becoming room-temperature superconductors. Previous studies indicate that ‘H-cage’-containing H-rich materials can possess high Tc. Using the first principle calculations on the basis of density functional theory, combining the substitution approach and crystal structure prediction technique, this project aims to design new ‘H-cage’-containing room-temperature superconductivity materials from the hydrides MxHy (M=Ti, Zr, Hf and Rf) of Group IVB elements under high pressure. Meanwhile, synthesis conditions of the system are predicted to be the light for the future experiment. By systematically studying the crystal structures, electronical properties, dynamical properties, etc., we will discuss how to screen metals for forming ‘H-cage’ with the same electronic behavior. Finally, the relationship between ‘cage’ model and high Tc value will be summarized in order to provide new ideas for designing novel superconductivity materials with high Tc values.

寻找室温超导体一直是超导研究追逐的梦想，最近实验上发现氢硫样品在高压下呈现最高~200 K的超导转变温度表明富氢材料具备成为室温超导体的巨大潜力。前期理论研究表明，含“氢笼”结构的富氢材料具有较高的超导转变温度（>200 K）。本项目拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，以第IV副族过渡金属氢化物MxHy（M=Ti、Zr、Hf、Rf等）为研究对象，采用结构替代与晶体结构预测技术相结合的方法，在高压条件下设计新型含“氢笼”材料，探索其成为高温/室温超导体的潜力，并预测其合成条件，为后期实验合成提供理论指导。通过对新材料高压晶体结构、电子性质、晶格动力学等性质的研究，探索具有何种电子共性行为的金属可以形成“氢笼”结构。最后，总结笼形结构与高超导转变温度之间的关联，为新型高温超导材料的设计及提高超导转变温度提供新的思路。

寻找室温超导体一直是超导研究追逐的梦想，特别是最近发现的C-S-H在高压下呈现288 K的超导转变温度表明富氢材料成为室温超导体的巨大潜力。本项目利用晶体结构预测技术和第一性原理计算相结合，围绕新型富氢超导材料设计开展工作，代表性成果由：(1) 在C-S-H体系中，创新性的提出利用有机分子调控CH4调控H3S，设计出低压高温超导体CSH7，激发同行后续追踪研究。(2) 利用第一性原理探究了H3S高温超导机制，发现强共价键是其高温超导的主要原因。(3) 在过渡族金属氢化物中发现了具有奇特H纳米管结构的超导材料HfH9，超导温度在200 GPa为110 K. (4)在YS-H体系中发现两元超导体YS3，超导转变温度与单质Y和S相当 （17 K），但是超导转变压强却得到大幅降低。 (5) 受邀撰写关于CALYPSO结构预测软件在超导材料领域中所发挥的重要作用的综述。(6) 基于CI24-Na为原型，将金属原子掺入Na-笼结构，设计了9种动力学稳定的笼型结构，其中Mo6H24具有最高的超导转变温度为28 K，我们的研究成果为以后寻找笼形高温超导材料提供了研究方向：寻找含有较大笼形结构的富氢超导材料。此外，参加学术会议9次；获得江苏省高校科学技术成果奖一等奖一项（第四完成人），培养研究生1名，协助培养研究生3名。