高压下二元含氮体系的稳定态的组分、结构及性质研究

High pressure will open up new ways of materials design and synthesis with the development of technology. Since the single-bond nitrogen is synthesized at high temperature and high pressure, people also pay extensive attention to the nitrogen-rich materials which are potential high-energy-density-materials. In this project, our theoretical results will provide evidences for further research on nitrogen-related materials. Evolutionary algorithm and first-principles methods will be performed to investigate the stable stoichiometries, the structural phase transition and properties of binary nitrides under high pressure. Main contents are as follows. (1) Predict the stable stoichiometries and the structures of materials at high pressure, and construct the stoichiometry-pressure phase diagram. (2) Study the properties of materials, such as electronic properties, lattice dynamical properties, etc. (3) Uncover the effect of pressure and stoichiometry on the properties of materials and the evolution of nitrogen atoms. The interaction between atoms is very complicated at high pressure, which challenge the theory under ambient condition. Our results will be helpful to understand the coupling between microstructure and materials performance, and people will design materials more efficiently.

随着实验技术的提高，压力为新材料的设计与合成提供了有效途径。自单键氮在高温高压条件下合成以后，富氮物质也被作为潜在的高能密度材料，并且受到广泛的关注。为了能在现实中成功应用单键氮，本项目将从理论上做出预测，为实验提供科学依据和理论指导，加速这一目标的实现。我们将从二元含氮化合物中选取研究体系，采用遗传算法结合第一性原理方法研究物质在高压下的稳定态的组分、结构相变及性质，主要研究内容包含：（1）高压下物质的稳定态的组分及结构演化，建立压力-组分相图；（2）高压下材料的性质，包括电子结构、晶格动力学等；（3）揭示压力、组分对材料物性和N原子排布形式演化的影响。在高压下，材料内部原子之间的相互作用以及宏观的性质随压力的变化非常复杂，同时常压下的理论也面临着严峻的挑战。通过我们的研究有助于认识微观结构与宏观物理量的联系并揭示其中的物理规律，更高效地进行高能密度材料设计，缩短合成周期。

自从人们在高温高压条件下合成cg-N以来，聚合氮便受到人们的关注，主要是由于它蕴含着巨大的能量并且无污染，是潜在的高能密度材料。然而，聚合氮的合成条件及其在常压下的稳定性受到巨大的挑战。通过本项目的研究，我们期望降低合成聚合氮的压力并且改善其稳定性。因此，我们从理论上对含氮化合物在高压下的行为做了系统的研究，包括：1）预测了Li2N2在高压下的结构相变，发现了一种螺旋氮链的四方结构，这种新相在40-300 GPa压力范围内是动力学稳定的。2）通过变组分模拟，我们得到了除KN3以外的6种新的稳定态的组分，如：K3N、K3N2、KN、K2N3、KN2和KN5, 其中N原子成键形式多样化，如N2、N3、N5环和N6环。其中含氮量最高的是KN5（含氮量为0.833），其中N原子形成N5环，即使在常压下，该结构也是动力学稳定的。3）我们还研究了碱土金属氮化物Be-N，在压力大于60 GPa时，得到了新的富氮组分BeN4，其中N原子形成了无限长的氮链。通过我们的研究，说明高压可以有效调控原子的成键方式，并且得到不同于常压的组分和结构，是合成新材料的重要途径之一，为实验合成新型高能密度材料提供了依据。