碱金属硼化合物的结构预测与高压合成

Na2B30 or Na2B29, one type of alkali metal borides, was successfully synthesized in 1969. However, so far it was long debate whether it is orthorhombic (Imma-Na2B30) or monoclinic (Na2B29) at ambient conditions, let alone for its high-pressure phase diagram. Certainly, the obscure structures and properties harm their practice. Thus this project would study the ground state structures and high-pressure phases of sodium borides by using ab initio variable-composition evolutionary algorithm USPEX. We try to resolve the controversy and predict new structures combing theoretical simulations and experiments, while reveal any potential novel properties from first principles, e.g. nodal line semimetal, superhardness, and photocatalytic properties.

碱金属硼化物，Na2B30或Na2B29早在1969年就被合成，迄今近50年，然而有关它的基态晶体结构和电子性质还存在争议，钠硼化合物高压相图研究甚少，导致该材料的具体性质模糊，极大阻碍了它们的实际应用。本项目基于进化算法结合第一性原理计算的变组分结构预测，系统研究碱金属硼化物(尤其是钠硼化合物)的基态结构和高压相变。理论与实验相结合，从原子(电子)层面阐明实验模糊之处，发现新结构及潜在应用，揭示相关材料尚未发现的新颖物理性质及原因(如拓扑节线半金属、超硬和光催化性质等)。

本项目基于进化算法结合第一性原理计算的变组分结构预测，系统研究碱金属硼化物(尤其是钠硼化合物)的基态结构和高压相变。理论与实验相结合，从原子(电子)层面阐明实验模糊之处，发现新结构及潜在应用，揭示相关材料尚未发现的新颖物理性质及原因。在项目执行期间，通过第一性原理计算，提出基于碱金属硼化合物I212121 Na2B30三维硼网格的多孔骨架结构，其中Na原子位于沿[010]晶向的大孔隙中；通过高温退火蒸发掉Na原子，有望截获新型亚稳单质硼B60 [Phys. Rev. B 99, 184111 (2019)]，丰富了单质硼的相图，加深了对基本元素多型体的理解。通过晶体结构搜索和第一性原理计算，预测了碱金属硼化物NaB3的反常高压相变行为，发现少见的压力诱导“负线性压缩”（压强导致体积收缩的同时，结构沿某个特定方向膨胀的现象）及温度诱导的新型超离子过渡态[Phys. Rev. Materials. 5, 035002 (2021)]。实验合成不互溶的金属硼化物，Cu8B14，低维铜硼化合物的发现突破了“不溶材料”的传统认识，为拓展新型亚稳材料的研究提供了新途径[Fundam. Res. 1, 482 (2021)]等。这些工作提出了硼化物在极端条件下的新结构和新颖物性，不仅有助于人们对其新奇物理性质的理解，而且为设计和合成相关材料提供了新思路。