高压下新型氢分子化合物结构与性质的理论研究

Several new hydrogen molecule compounds have been synthetized under high pressure, such as H2O(H2), CH4(H2)4, SiH4(H2)2, and GeH4(H2)2. Because of the high amount of hydrogen, they have been attracted as the potential hydrogen storage materials and will show some special properties of metal hydrogen after metallization, for example, high temperature superconductivity. So, the new hydrogen molecule compounds synthetized under high-pressure by the IV or VI main group hydride and hydrogen, will be studied in this project by means of the first principle calculation based on density-functional theory and crystal structure search technology. This project aims to explore crystal structure of new hydrogen molecule compounds at high pressure, get high pressure phase transition process, understand the evolution law of electronic state and intermolecular interactions with pressure, reveal the mechanism of high pressure synthesis, obtain the conditions of pressure-induced metallization and superconductivity. Through the implementation of the project, it can improve our understanding of new hydrogen molecule compounds, not only offer new research ideas for exploring hydrogen storage materials, but also provide a brand-new pathway for studies of metal hydrogen and superconducting materials. It is expected to get some innovative research results.

高压条件下合成的新型氢分子化合物，如H2O(H2)、CH4(H2)4、SiH4(H2)2、GeH4(H2)2等，因其具有较高的氢含量，一方面可以作为潜在的储氢材料；另一方面，压致金属化之后将会呈现许多金属氢中的特殊性质，如高温超导特性。本项目拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，结合晶体结构搜索技术，选择第IV和VI主族氢化物与氢气在高压下形成的新型氢分子化合物为研究对象，探索其在高压下的晶体结构，获得高压相变过程与规律，深入认识高压下新型氢分子化合物的电子状态、原子间键合以及微观相互作用的演化过程，揭示其高压合成机理，确定压致金属化和超导电性出现的条件。通过该项目的实施可以加深对新型氢分子化合物的理解，不仅为探索储氢材料提供研究思路，还为金属氢和超导材料的研究提供一条崭新的途径，有望获得一些创新性研究成果。

寻找高温超导材料一直是凝聚态物理研究领域的热点课题。据BCS理论预测，金属氢有望成为室温传统超导体。但迄今为止在实验可达到的压力范围内没有获得金属氢。而富氢化合物则被认为是可以在较低的压力下实现金属化，并具有较高超导临界温度的传统超导体候选材料。项目组采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了几种典型的富氢化合物(H3S、H4Po、H2I等)在高压下的晶体结构、金属化及超导电性，取得了一些成果，特别是在新型硫氢化物H3S的研究中获得了重大突破。同时项目组还进行了高密度能源材料的探索、卤族化合物的高压聚合及新型碳材料的设计等工作。.我们从理论上确定，在高压下可以获得常规条件下难以获得的新型硫氢化物H3S，该晶体至少能稳定存在到300万大气压。明确了获得H3S晶体的两个主要途径：3H2S→2H3S+S，2H2S+H2→2H3S，即可以对硫化氢直接加压到43万大气压以上获得，也可以通过硫化氢加氢在较低压力下获得。首次提出了H3S晶体的两个新奇的高压金属相：六角R3m相（111-180 GPa）和立方Im-3m相（180 GPa以上）。依据BCS理论，预言六角相在130 GPa的超导临界温度Tc是155~166 K，立方相在200 GPa时为191~204 K，达到200 K的量级，并且立方相的Tc随压力的增大而降低。进一步谱函数的计算表明，两个相的超导特性主要来自氢原子相关的振动。.随后，德国马普所的科学家将H2S样品加压到150万大气压以上，通过电学和磁学原位测量，发现在203 K时变成超导体，认为高的超导温度来源于H3S，证实了我们的理论预言。最近由日本大阪大学的科学家及其合作者通过高压实验进一步确定了优异的高温超导相是H3S的六角和立方相，进一步证实我们预言的超导相结构，确定了优异超导电性的来源。.在简单的H3S化合物中发现如此高的超导临界温度，创造了超导温度的新记录，实现了传统超导体基础研究领域上新的突破，为相关领域的实验研究指引了方向。文章发表后迅速受到国际学术界的重视，一年内被包括Nature、PRL在内SCI杂志他引26次。Nature的NEWS&VIEWS及Science的LATEST NEWS均对我们的研究结果进行了评述。国际著名的超导专家Mazin在Nature的NEWS&VIEWS特别强调“这是第一次理论预测的超导体在实验中被证实”。