高压下轻质富锂化合物的新结构及其物性研究

富氢材料通常被认为有希望具有高的超导转变温度，因为按照BCS理论较小的原子质量往往能带来较高的Debye温度。但是由于氢较强的非金属性，其金属化往往出现在非常高的压强范围。同样，Li也有较小的原子量，且有强的金属性。所以轻质富锂化合物（例CLi4、CLi6、SiLi4、NLi3、PLi3等）也是潜在的高温超导体。本项目将通过计算机模拟探索轻质富锂体系化合物在高压下的新结构、高压诱导的相变、电子结构、晶格动力学性质、弹性、超导电性等关键的基本物理学特征。主要内容包括：1、高压结构的确定（热力学、晶格动力学和机械稳定性），2、高压诱导的金属化（能带、金属化率、费米面拓扑转变），3、高压下的超导电性（费米面嵌套函数、声子、电-声子耦合），为探讨高压下固体材料中元素种类及结构与物性的一般性规律提供知识储备，为高温超导材料的探索、设计提供理论依据。

该项目涉及到当前的两个重要问题。第一：自从Ashcroft 预言了通过压缩纯氢可以获得室温超导体后，轻质元素及其化合物在高压下的行为遭受到强烈的关注和研究。虽然目前在纯氢体系中还无法实现超导电性，但是在非常高的压强下，氢化物近年来被报道发现具有有史以来的最高的超导转变温度。轻质化合物潜在的高温超导电性长期受到人们的关注，例如MgB2。已知的最轻金属锂及其化合物也是该领域有力的候选材料。在该项目中，富锂化合物，例如Li-C 化合物及其类似的富氢化合物的高压结构、压制金属化特性和高压下的超导电性行为被充分地研究。第二：基本的固体理论预言在足够高的压强下，所有材料的原子间距将会减小，原子间相互作用将会增强，其电子能带将会展宽而交叠，这样所有材料都会从绝缘体变成金属，或者延续这种金属状态并且金属化程度变得更强, 即发生了所谓的威尔森转变（Wilson transition）。因此，当人们所认为的“简单”金属，例如碱金属、碱土金属在高压下呈现出相反的压制金属化行为时，即发生了从金属到绝缘体的相变，人们对这种压制反金属化行为感到十分惊奇。为了更好地理解这种压制反金属化行为，我们从具有金属性的富锂碳化物开始研究，研究发现在百万大气压下，富锂碳化物呈现出与单质碱金属、碱土金属类似的反金属化特征。该研究拓展了以前研究范围，预示着反金属化行为不应该局限于碱金属、碱土金属等单质材料中，而可能是具有更普遍物理的意义，例如这里所研究的锂碳化合物。.我们知道，晶体的结构信息是我们能够很好地去认识、理解和功能化材料的重要的出发点，这是因为晶体的结构信息直接决定材料的基本物理和化学性质。在该项目执行过程中，我们独立自主地开发编写了晶体结构预测和分析软件包ELocR，该软件包具有完全的知识产权，为以后的相关问题的研究和知识创新打下了良好的基础。在研究高压下材料的压制金属化和反金属化过程中，为了定量地去描述金属材料中自由电子的演化过程，我们定义了费米面填充参数（Fermi Surface Filling Parameter）。通过基于 ab initio GW 方法的费米面填充参数和电子能带带隙的计算，我们定量地研究了高压下富锂碳化物的反金属化过程, 并并探究了反金属化机制的普遍规律。