LiHn的高压结构与物性理论研究

Hydrogen and H-rich compounds have broad applications in renewable energy, novel materials and superconductors. As the lightest ionic compound, LiHn has a special role in understanding the properties and response of matter under extreme compression conditions. The charge transfer and redistribution of electrons between the nuclei of hydrogen and lithium is the key to comprehend the metallization of hydrogen and the non-metallization transition in lithium at high pressures, as well as the diversity in the structures and physical and mechanical properties of H-rich materials. Furthermore, the compressibility, melting, and equation of state of lithium hydrides are fundamental challenges in ICF and nuclear fusion energy researches. In this proposal, we will investigate the structural transformation, phase stability, melting, and phase diagram of LiHn at finite temperatures up to 500 GPa using theoretical methods based solely on fundamental principles of physics. This will provide us with the essential knowledge about the thermodynamics, equation of states, and dynamic compression response of lithium hydrides, as well as the structural characteristics, phase transition pathways, activation energies and so on. The obtained results will not only deepen our current understanding, but also lead to cutting edge capability to establish the high-pressure and high-temperature phase diagram of lithium hydrides, not to mention acquiring the relevant physical and mechanical properties of LiHn, which are invaluable for both exploration of H-rich materials further and to design and control the compression behavior of fusion fuels.

氢及富氢化合物在新能源、新材料和超导电性等方面有着广阔的应用前景。作为最轻的离子化合物，富氢化锂LiHn对理解物质在极端压缩条件下的力学与物理性质和冲击响应特性等方面具有特殊的科学价值，其中电子在氢和锂原子间的转移和再分布是进一步理解氢的金属化、锂的金属-非金属-金属转变和富氢体系结构与物理力学性质变化的基础。而关于氢化锂的可压缩性、状态方程和熔化则对ICF和核聚变能源研究非常重要。在本项目中，我们将基于量子力学的基本原理，利用理论方法研究有限温度下LiHn在500 GPa压力范围内的结构与稳定性、熔化行为和相图等，获得相应的热力学性质、状态方程和冲击压缩特性，并得到不同结构间可能的相变路径、势垒及结构的变化特点等。通过本项目的研究开展，希望获得新的认识和理解，建立LiHn初步的高温高压相图和相关物性，为探索富氢材料和理解、控制聚变材料的压缩行为提供理论参考。

氢及富氢化合物在新能源、新材料等国家重大需求方面有着广阔的应用前景，它们对理解物质在极端压缩条件下的性质具有特殊的科学价值，其中电子在氢和锂原子间的转移和再分布是理解氢的金属化、锂的金属-非金属-金属转变和富氢体系物理和化学性质的基础，而LiH的高压性质则对ICF和核聚变研究非常重要。本项目基于量子力学基本原理，通过系统的结构搜索和大规模分子动力学模拟，获得了有限温度下锂-氢体系在宽压力范围内的特性：发现了一系列新结构，揭示了常规GGA泛函的不足，以及Van der Waals相互作用不可忽略的贡献；获得较为精确的LiH和LiHn高压能带带隙；获得了相应的热力学性质、状态方程和冲击压缩特性，对相变路径、势垒及结构特点进行了分析；自主开发并实现了温度依赖有效势声子谱计算方法，具备了非谐晶格振动第一原理计算能力；结合冷压模型，建立了LiH实用状态方程，解决了LiH理论熔化温度与实验间的偏差问题；所获等温压缩线与静压实验数据偏差小于5%，计算Hugoniot与冲击实验结果偏离小于10%；基于结构搜索、能带结构计算和低压亚稳定性研究，发现LiH7可以在5 GPa压力下合成，且具有良好绝缘特性，解决了LiHn的DAC合成实验观测到的光学透明性与理论预测的金属性之间的尖锐矛盾；深入开展了锂-氢体系熔化和液体特性研究，获得了特定压力范围Li、Li5H、LiH、LiHn和H的固-固相变和熔化曲线，预测了冲击熔点为（56 GPa,1923 K），确定B1-B2-液体三相点位于（228 GPa,2730 K），初步建立了实验-理论相自洽的锂-氢体系基本温-压相图和物理图像；预测了需将LiH预压缩50 GPa才能使冲击Hugoniot经过三相点并进入B2固相，为后续利用动高压方法探测B1-B2相变及其金属化提供了理论支撑。通过本项目的研究，获得了锂-氢体系新的认识，为探索更广泛的富氢材料和理解、控制聚变材料的有限温压行为奠定了理论基础。本研究成果已被应用于理解金属富氢化物的高压结构和熔化特性，并发现了碱金属锂、钠和钾间奇特的高压化合行为，为理解极端压缩条件下物质的普遍特性提供了有益帮助。