高压下新型主族元素三元氢化物结构和性质的理论研究

The structure, hydrogen storage and superconductivity of binary hydrides under high pressure have been extensively studied. Compared to binary hydrides, ternary hydrides have potential advantages in structures and properties, but have rarely been studied. More importantly, two crucial problems, namely the determination for the synthesis pathway of ternary hydride under high pressure and the cause and effect of the hydrogen present form (type hydrogen), have not yet been clarified and need to be resolved. The determination of the synthesis path is an important prerequisite for obtaining ternary hydrides and the formation of type hydrogen determines hydrogen storage and superconductivity. This project intends to systematically study the ternary hydride under high pressure by using crystal structure search technology and first-principles calculation method based on density functional theory (DFT). The purpose is to clarify the crystal structure of ternary hydrides under high pressure, and on this basis, propose a universal method to determine its synthetic route; reveal how high pressure induces the formation of hydrogen and its role in hydrogen storage and superconductivity. Through the implementation of this project, the understanding of ternary hydrides can be deepened, which not only provides theoretical guidance for further high-pressure experimental synthesis, but also provides new research ideas and approaches for exploring novel hydrogen storage and superconducting materials.

高压下二元氢化物的结构、储氢和超导电性得到了广泛的研究。与二元氢化物相比，三元氢化物在结构和性质方面具有潜在优势，却很少被研究。更重要的是，两个关键问题，即高压下三元氢化物合成路径的确定和氢存在形式(即类型氢)的产生原因及作用，尚未明确，亟待解决。合成路径的确定是获得三元氢化物的重要前提，类型氢的形成决定着储氢和超导电性。本项目拟采用晶体结构搜索技术和基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对高压下三元氢化物进行系统研究。旨在明确高压下三元氢化物的晶体结构，并在此基础上，提出普适性的方法确定其合成路径；揭示高压如何诱导类型氢的形成及其在储氢和超导电性方面所起的作用。通过该项目的实施能够加深对三元氢化物的理解，不仅为进一步高压实验合成提供理论指导，更为探究新型储氢和超导材料提供崭新的研究思路和途径。

找到室温超导体一直以来都是物理学界梦寐以求的事情。在众多材料中，氢化物受到了人们的广泛关注，这要归功于氢具有较小的质量和较高的德拜温度。氢化物中的三元氢化物尤为受到科学家的青睐。一方面是因为三元氢化物合成压力低；另一方面是因为氢在三元氢化物中会呈现不同的存在形式，而这种存在形式的成因至今并未得到解释。在本项目中我们主要研究以主族元素为主的三元氢化物，使用第一性原理计算手段研究它们在高压下的晶体结构、导电性质、超导电性及储氢的能力。主族元素包括Li、Be、Al、Mg等元素，同时为了探索一些可能存在的普适规律，我们也尝试将过渡金属元素引入二元的主族氢化物中，探究可能存在的三元氢化物和它们具备的性质。项目研究的重要结果：(1)我们成功预测一些三元氢化物的晶体结构，例如，LiAlH6、MgAlH6、LiSbH6、LiAsH6、ThBeH8和CeBeH8等，它们具有较高的结构对称性，包括空间群I4/mmm、Pm-3和Fmm;(2)所有的三元氢化物在对应压力点均呈现出金属性,而且金属化压力点均比较低；(3)高的对称性在一定程度上保证三元氢化物的费米面具有较高的对称性，这为高温超导电性提供了保证；(4)在所有的三元氢化物中，费米能级附近的电子态密度均由氢主控；(5)我们的研究表明氢之所以会呈现出不同的存在形式，是因为重元素向氢的子晶格转移电子导致的，电子占据氢分子的反成键轨道，从而导致氢分子之间的化学键不同程度的断裂进而导致氢以不同的形式存在，深入研究表明氢具体以何种形式存在取决于重元素向氢转移电子数的多少；(6)所有预测的三元氢化物均呈现出一定的超导电性，超导转变温度Tc在相应的压力点范围为27~180 K；(7)引入过渡金属的三元氢化物更容易形成笼状结构；(8)在此项目的研究过程中，我们也成功申请了两项专利，专利的申请有利于进一步探索和合成三元氢化物。我们的项目研究对于三元氢化物的高压合成和探索具有一定的指导意义，更为重要的是我们的研究也对过渡金属三元氢化物的晶体结构和超导电性的研究也具有一定的指导意义。