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高压下H3S-MH4(M = C, Si, Ge, Sn)的非谐量子效应及其超导电性的理论研究

批准号:
12104087
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
侯朴赓
依托单位:
学科分类:
凝聚态物质结构、相变和晶格动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
侯朴赓

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
甲烷在高压下发生分解,而其它第IVA族氢化物出现压致金属化现象,并呈现良好的超导特性,前期研究表明,H3S已经接近室温超导体,而且通过掺杂必然会大幅提升超导特性。因此本项目选择新型化合物H3S-MH4(M=C,Si,Ge,Sn)为研究对象,以期获取新型超导材料。本项目采用第一性原理方法结合结构搜索技术,寻找不同压力条件下体系中能量最低的晶体结构。利用线性响应理论获得其声子谱和声子态密度,基于随机自洽简谐近似(SSCHA)算法对晶体能量及动力学矩阵做出修正后,从热力学、晶格动力学多角度判断各结构在高压下的稳定性。研究这些结构在高压下的能带结构和态密度,通过费米面处的能带交叠判断是否转变为金属相;计算金属相的电声子相互作用参数;通过基于BCS理论的McMillan修正公式计算超导转变温度;该项目的研究可以为富氢化合物超导转变机制的揭示与新型超导材料的研发和利用提供理论依据和支持。
英文摘要
Under high pressure, many IVA group hydrides are metallic and superconducting, such as germane, silane, Stannane etc. However, methane is not metallic and high-pressure induced decomposition appears under high pressure. It has been shown that H3S is closed to room temperature superconductor in earlier studies. And the superconducting properties will inevitably be greatly improved through doping. Therefore, the new compound H3S-MH4(M = C, Si, Ge, Sn) have been selected in this project in order to obtain new kinds of superconductor. The crystal structure searching technology based on the random and evolutionary algorithms combined with the first principle methods are used to find the lowest energy crystal structure. With the crystal structures and their dynamical matrices being modified by the stochastic self-consistent harmonic approximation method(SSCHA), the phonon spectra and phonon density of states of the candidate structures are calculated by PWSCF base on the linear response theory. The structural stability and stable pressure range of candidate structures are determined by the thermodynamics and lattice dynamics. We will also study the band structure and the density of states at high pressures. The metallicity of the candidate structures is determined by the energy band overlapping near the Fermi level. The phonon spectrum of metallic phases and electron-phonon interaction are calculated by using linear response theory. The superconducting critical temperature Tc can be calculated by using the modified McMillan formula based on BCS theory. This research can provide theoretical basis and supporting for the discovery of the superconducting transformation mechanism of hydrogen-rich compounds and the development and utilization of new superconductors.
1. 进行了P63/mmc-ScH6高压下晶体结构的研究。非谐近似计算表明:与简谐近似相比,H-H距离增大,在研究压力范围内,dH-H增大比例不低于5%,非谐声子谱计算表明,此结构可稳定存在于85 GPa以上,比简谐近似计算的动力学稳定压力降低了约50 GPa,这为我们在更低压力下寻找超导材料提供了可能,在130-160 GPa范围内,与简谐近似相比较,非谐量子效应下超导转变温度和电声耦合常数得到了大幅度提高。且随压力升高,Tc差距逐渐增大。在100 GPa下,Tc已经达到了109 K,这已远高于简谐近似得到的最高超导转变温度。谱函数计算表明: H-H距离的变化导致了电声耦合常数的增大,从而导致了Tc的提升。130 GPa下,在拉伸方向(z轴方向)上H的谱函数积分贡献(即电声耦合常数)达到了所有增量的36%。而H原子在所有方向上的谱函数积分贡献之和则约占全部增量的70%。简谐近似的平均频率高出非谐近似所得声子平均频率约8%,是造成简谐近似下超导转变温度被低估的重要原因。.2. 对Im-3m-CaH6的研究证明了量子非谐效应对CaH6在高压下的晶体参数、体积以及超导性质的重要影响。包含量子非谐效应的理论计算方程态(EOS)与实验测量结果相比,比简谐近似更加吻合。研究结果表明:声子光谱受到非谐校正的强烈影响,这导致了声子频率的硬化。此外,我们提出了一种修改形变势的方案,可以显著影响声子线宽。最后,我们求解Migdal-Eliashberg方程,并计算了不同压力下CaH6的临界温度(Tc)。引入非谐校正使得Tc值与实验数据拟合得很好。这项研究强调了在描述高压下氢化物的超导行为时非谐效应的重要性。.3. 对Pm-3 AlM(M = Hf, Zr)H6的晶格参数、声子谱和超导临界温度受非谐效应影响的研究表明:这两个结构在比经典简谐计算预期的低6至7 GPa的压力下是动力学稳定的。将较大原子引入AlH3可以显著降低动力学稳定压力,AlHfH6甚至可能降低到环境压力,从而促进其合成。因此,频率的非谐校正导致在11 GPa时AlHfH6的电子-声子耦合常数降低了28%,在30 GPa时AlZrH6降低了22%,以及分别在11 GPa时AlHfH6和30 GPa时AlZrH6的Tc均降低了12 K。这些发现强调了即使包含重原子,具有间隙位氢原子的金属氢化物仍然容易受到非谐效应的影响。
高压下H3S-MH4(M = C, Si, Ge, Sn)的非谐量子效应及其超导电性的理论研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    侯朴赓
  • 依托单位:
国内基金
海外基金