高压下新型碱土金属碳化物的结构与性质研究

The search for new high Tc superconducting and high hardness of materials is a hot topic in condensed state physics and field of materials research. Using the first-principles calculations combined with the newly developed particle swarm optimization algorithm for crystal structure prediction, we aim to explore high-pressure phase transition sequences of the new carbon-rich compounds MCn (M= Mg, Ca, Sr and Ba, n=1, 2, 3...), and build the high-pressure phase diagram. In addition, we intend to obtain the stable pressure and temperature range of carbon-rich compounds of the alkaline earth metal. Through the systemic analysis of the high-pressure crystal structures, electronic properties, lattice dynamical properties, chemical bonding nature and superconducting mechanism, the possibility of such carbide with superconducting or super hard properties can be reasonably determined. Furthermore, the relation between these structures and superconducting/ super hard properties would be revealed. This project will provide a new way to design new multi-functional materials and improve physical properties.

寻找新型高超导和高硬度材料是凝聚态物理和材料研究领域的热点问题。本项目采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术并结合基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，旨在系统地探索新型富碳体系MCn（M= Mg, Ca, Sr和Ba，n=1, 2, 3…）的高压相变序列，构筑高压相图，获得碱土金属富碳化物的实验合成的温度压强条件。通过系统分析MCn体系的高压晶体结构、电子性质、晶格动力学性质、化学成键、超导机制等，合理地判断此类碳化物具有超导特性或超硬的可能性，揭示该结构类型与超导、超硬特性之间具有何种定性或定量的关联，为新型材料的设计及材料性能的提高提供新的思路，为实验合成提供指导。

寻找新型多功能材料是凝聚态物理和材料研究领域的热点问题。本项目采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术结合基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，为设计新型功能材料领域提供了一定的知识储备和理论指导，并做出了一些创新性成果，其中主要包括：i 更新了CaC的高压相变序列，首次提出CaC的常压Pmmn结构，随着压力的增加，结构内部的碳原子发生聚合，通过电子性质分析发现其可能是潜在的高温超导体；ii 系统探索了MgC2的高压相图，发现MgC2的高压超导相，其超导转变温11.3K与石墨夹层化合物CaC6的超导转变温度相当，压力起到显著地调制作用。iii 利用结构预测和第一性原理计算发现BeC2的高压相图，并成功找到了实验发现的常压相为超导相，其常压超导转变温为5.759 K；iv.利用第一性原理计算ThC体系高压相发现超导转变温度在80GPa时达到最大，即4.64K。超导机制可能是压力作用导致费米面重构和声子硬化引起的。