《高壓下新型氫分子化合物結構與性質的理論研究》是依託吉林大學，由段德芳擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高壓下新型氫分子化合物結構與性質的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：段德芳
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高壓條件下合成的新型氫分子化合物，如H2O(H2)、CH4(H2)4、SiH4(H2)2、GeH4(H2)2等，因其具有較高的氫含量，一方面可以作為潛在的儲氫材料；另一方面，壓致金屬化之後將會呈現許多金屬氫中的特殊性質，如高溫超導特性。本項目擬採用基於密度泛函理論的第一性原理計算方法，結合晶體結構搜尋技術，選擇第IV和VI主族氫化物與氫氣在高壓下形成的新型氫分子化合物為研究對象，探索其在高壓下的晶體結構，獲得高壓相變過程與規律，深入認識高壓下新型氫分子化合物的電子狀態、原子間鍵合以及微觀相互作用的演化過程，揭示其高壓合成機理，確定壓致金屬化和超導電性出現的條件。通過該項目的實施可以加深對新型氫分子化合物的理解，不僅為探索儲氫材料提供研究思路，還為金屬氫和超導材料的研究提供一條嶄新的途徑，有望獲得一些創新性研究成果。
結題摘要
尋找高溫超導材料一直是凝聚態物理研究領域的熱點課題。據BCS理論預測，金屬氫有望成為室溫傳統超導體。但迄今為止在實驗可達到的壓力範圍內沒有獲得金屬氫。而富氫化合物則被認為是可以在較低的壓力下實現金屬化，並具有較高超導臨界溫度的傳統超導體候選材料。項目組採用基於密度泛函理論的第一性原理計算方法，研究了幾種典型的富氫化合物(H3S、H4Po、H2I等)在高壓下的晶體結構、金屬化及超導電性，取得了一些成果，特別是在新型硫氫化物H3S的研究中獲得了重大突破。同時項目組還進行了高密度能源材料的探索、鹵族化合物的高壓聚合及新型碳材料的設計等工作。 我們從理論上確定，在高壓下可以獲得常規條件下難以獲得的新型硫氫化物H3S，該晶體至少能穩定存在到300萬大氣壓。明確了獲得H3S晶體的兩個主要途徑：3H2S→2H3S+S，2H2S+H2→2H3S，即可以對硫化氫直接加壓到43萬大氣壓以上獲得，也可以通過硫化氫加氫在較低壓力下獲得。首次提出了H3S晶體的兩個新奇的高壓金屬相：六角R3m相（111-180 GPa）和立方Im-3m相（180 GPa以上）。依據BCS理論，預言六角相在130 GPa的超導臨界溫度Tc是155~166 K，立方相在200 GPa時為191~204 K，達到200 K的量級，並且立方相的Tc隨壓力的增大而降低。進一步譜函式的計算表明，兩個相的超導特性主要來自氫原子相關的振動。 隨後，德國馬普所的科學家將H2S樣品加壓到150萬大氣壓以上，通過電學和磁學原位測量，發現在203 K時變成超導體，認為高的超導溫度來源於H3S，證實了我們的理論預言。最近由日本大阪大學的科學家及其合作者通過高壓實驗進一步確定了優異的高溫超導相是H3S的六角和立方相，進一步證實我們預言的超導相結構，確定了優異超導電性的來源。 在簡單的H3S化合物中發現如此高的超導臨界溫度，創造了超導溫度的新記錄，實現了傳統超導體基礎研究領域上新的突破，為相關領域的實驗研究指引了方向。文章發表後迅速受到國際學術界的重視，一年內被包括Nature、PRL在內SCI雜誌他引26次。Nature的NEWS&VIEWS及Science的LATEST NEWS均對我們的研究結果進行了評述。國際著名的超導專家Mazin在Nature的NEWS&VIEWS特彆強調“這是第一次理論預測的超導體在實驗中被證實”。
