新型碱金属-碳族化合物及其衍生碳族元素同素异形体的理论设计和物性研究

IA-IVA compounds play an important role in electronic devices and optoelectronic devices. The investigation on structural and electronic properties of IA-IVA compounds is a hot topic in the fields of condensed matter physics and material science. Although there are some theoretical and experimental studies on IA-IVA compounds, the research on their phase diagrams and electronic properties under high pressure is still limited. This project will utilize unbiased crystal structural prediction method combined with first-principles total energy calculations under the framework of density functional theory and density functional perturbation theory to determine the thermodynamically stable phase diagrams and electronic structures of IA-IVA systems. Then the superconducting behavior of obtained IA-IVA compounds with peculiar electronic property will be studied and the evolutionary rule of IVA atomic existing form in compressed IA-IVA compounds will be disclosed. Furthermore, the finite temperature effect and anharmonic effect on thermodynamic phase diagrams will be explored by using first-principles molecular dynamics simulations. In addition, the novel group-IVA allotropes with excellent mechanical and electronic properties, such as, high hardness and direct band gap, will be designed by alkali metal-IVA precursors-based methods and inverse design methods of materials with band gap, hardness, or volume as objectives. At the same time, the mechanical, dynamic, electronic, and optic properties of obtained group-IVA allotropes under pressure and stress will systematically be explored to elucidate their potential applications as electronic or optoelectronic devices. Our research results will provide valuable theoretical guidance for the experimental preparation of group-IVA allotropes by using IA-IVA compounds-based precursors methods.

碱金属-碳族化合物在电子器件和光电子器件方面具有重要应用，对其结构和电子特性的研究是当前凝聚态物理和材料科学领域研究的热点。尽管对碱金属-碳族化合物已有不少理论和实验研究，然而对其在高压下的相图和电子特性的研究仍较薄弱。本项目拟利用晶体结构预测方法与第一性原理计算方法相结合，在搜索高压下的碱金属-碳族化合物的热动力学稳定结构基础上，确定高压下碱金属-碳族化合物的相图和电子结构，研究具有特定电子结构的化合物的超导特性，揭示高压下碳族原子在碱金属框架下存在形式的演化规律和微观机制，并探索温度效应和晶格非谐效应对相图的影响。其次，利用碱金属辅助设计和材料的逆向结构设计相结合的方法，设计新型碳族元素同素异形体，并探讨其在压力和应变下的力学、动力学、电子和光学特性。本项目的研究成果将为实验上合成新型碱金属-碳族化合物前驱体，进而制备碳族元素同素异形体提供科学依据和理论指导。

碱金属与碳族元素在前沿科学研究与实际应用中均占有重要地位。碱金属的引入可使得材料展现出新奇物性，如超导。利用碱金属或碱土金属碳族化合物可成功合成碳族元素同素异形体思想的提出促进了寻找直接带隙硅同素异形体的理论研究和实验合成研究，这一思想已被借鉴用于合成其它单质固体。本项目的主要研究内容包括：1）将化学键合形式作为约束条件，发展了满足约束条件的基于遗传算法的结构搜索程序。该程序在设计碳族元素的同素异形体方面取得成功；2）集成机器学习、高通量筛选和遗传算法，在程序中引入拓扑理论，提高了二维材料预测效率；3）利用变组分比的结构预测和固定化学组分比的结构预测相结合的方法，确定了Li-Ge、K-Si、Na-Sn、Na-C、Ca-Si等体系的热动力学相图，揭示了碳族原子的聚合规律和聚合微观机制，探讨了部分化合物的超导特性（NaSn5、Ca3Si等），为新型超导体设计提出了新思路；4）利用碱金属辅助设计和材料的逆向结构设计相结合的方法，理论设计了19个碳同素异形体、6个硅同素异形体和2个锡的同素异形体，它们中的一些呈现出优异的电子特性，展示出奇异的光学性质；5）在新二维超导材料设计（设计了新二维材料PS2）和二维材料的光催化特性研究方面取得重要进展。此外，我们探索了其它一些科学问题，建议了过渡金属Sc的高压相III的结构，确定了Li-O相图。本项目的研究成果为实验上合成新型碱金属-碳族化合物和制备碳族元素同素异形体提供了科学依据和理论指导。