氮在高压下的新结构、相图和相关化合物的从头计算研究

With the rapid advances in novel techniques such as diamond-anvil cells and shock-wave compression, high-pressure science has undergone a renaissance, for example, on probing the superconduting properties of matter under pressure and transitions from molecules to covalent or ionic compounds. Besides the improvements of experimental instrumentation, developments in theory and simulations, especially the ab initio calculations based on density functional theory, also play an important role on high pressure research and become an essential method in the field of materials design. Based on previous research, we propose to study the phase diagram of nitrogen under high pressure and design new nitrides with advanced properties. We aim to understand nitrogen and related compounds under extreme conditions by searching for new structures, including stable and metastable phases, using crystal structure prediction methods such as Random Search. We will study the properties of these structures, including properties such as hardness, electronic structure and electron-phonon coupling. We will investigate phase transition paths and entropic effects using metadynamics and AIMD, and calculate solid-solid and solid-liquid phase boundaries to extend their PT phase diagrams.

金刚石对顶砧和冲击波压缩等技术的进步使高压研究迎来新的高潮，例如探测物质在高压下的超导性质和分子在压强下转化成共价或离子化合物等。除了实验设备的进步，理论和模拟的发展，特别是基于密度泛函理论的第一性原理计算，对高压研究起了极大的推动作用，并成为材料设计领域中的重要研究方法。在前期研究的基础上，我们提出用第一性原理计算和分子动力学模拟来进一步研究氮在高压下的相图，并设计具有优越性质的氮化物。我们将运用随机搜索等晶体结构预测方法预测氮和相关化合物的新结构，特别是在高压下的稳定相和亚稳相；研究这些新结构的性质，包括硬度、电子结构和电声子互作用等；用metadynamics结合第一性原理分子动力学探索其相变途径、熵的效应；考察固固、固液相边界，并拓展其温度压力相图。

基于密度泛函理论的第一性原理计算，对高压研究起了极大的推动作用，并成为材料设计领域中的重要研究方法。在前期研究的基础上，我们提出用第一性原理计算和分子动力学模拟来进一步研究氮在高压下的相图，以及相关化合物的高压相变。在本项目中，我们用晶体结构搜索方法结合第一性原理计算研究了氮在超高压下的新结构和相图，发现了具有类似离子晶体特征的氮的高压相，并给出了氮在超高压下的压力温度相图，为将来的实验提供的理论参考。文章发表在《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 111, 175502 (2013)】。另外，我们对氮磷族化合物TaAs的高压相变进行了研究，发现其高压相是一个新的Weyl半金属相，其电子结构与常压相有很大的不同。我们还与实验合作者一起合成了这个高压相，相变压强符合我们的理论预言；并用高压同步辐射实验证明这个高压相在压力撤消以后还能稳定存在。结果发表在《物理评论快报》【Phys. Rev. Lett. 117, 146402 (2016)】。本项目取得了较为丰硕的成果，在国际高水平学术刊物上总共发表标注了本项目的SCI论文20篇，其中项目主持人孙建教授为第一或通讯作者的文章中有PRL 2篇、PNAS 1篇、JACS 1篇、PRB 7篇、npj Quantum Materials 2篇和Sci. Rept. 2篇等。这些工作具有较好的创新性，很多工作都是理论与实验相结合，结果非常完整。也有一些工作是理论预言，对实验工作具有重要的指导意义。