典型元素单质镁和氯的高压结构及性质

论文摘要

元素单质是构成物质世界的最基本物质,其高压研究一直备受关注。高压能够显著地改变物质的晶体结构及物理性质,如使某些元素单质相变到复杂的非公度结构,使绝缘体转变为金属,甚至超导体。对元素单质高压性质的研究能丰富人们对物质世界的认识,还可以揭示新的物理现象和物理规律。本论文利用最新发展的基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术,结合第一性原理研究,对典型元素单质镁和氯的高压新结构进行了系统的研究,深入地讨论了这些高压新相的奇特物理行为,获得如下创新性成果:1.发现了镁的两个高压新相:面心立方fcc和简单六角sh相,提出fcc→sh相变的相变路径为fcc结构的α和γ角同时由60°增加到90°。电子局域函数计算发现镁在高压下转化为“Electride”材料,此时价电子高度局域在晶格间隙区域,但镁并没有像钠一样转变为绝缘体,仍然呈现弱的金属性。2.预言了固体氯单质中存在非公度调制结构。获得了固体氯在高压下的相变序列:分子相Ⅰ→非公度调制相Ⅴ→原子相Ⅱ→fcc相,其中非公度调制相Ⅴ是分子相Ⅰ和原子相Ⅱ之间的过渡相,其平均结构为fco,波矢接近于2/7。3.固体氯的分子相Ⅰ在130 GPa发生了能带交叠导致的金属化,在157 GPa压力以上发生分子解离,相变为原子相Ⅱ。4.电子和声子耦合计算表明,固体氯在高压下转化为超导体;其中原子fcc相在380 GPa的超导转变温度可以达到13.0 K,明显高于碘和溴的超导温度,这主要是因为固体氯fcc相的费米面附近电子能带具有“平带-陡带”的特征,有利于形成高温超导体。

论文目录

• 内容提要
• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 高压研究的意义
• 1.2 元素的高压结构及相变
• 1.2.1 元素单质的高压复杂结构
• 1.2.2 碱土金属元素单质的高压结构
• 1.2.3 卤族元素单质的高压结构
• 1.3 论文的选题目的和研究意义
• 第二章 理论基础与计算方法
• 2.1 第一性原理方法
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 交换关联近似
• 2.3 晶格动力学的计算
• 2.3.1 超晶胞方法
• 2.3.2 线性响应方法
• 2.4 晶体结构预测
• 2.4.1 早期算法
• 2.4.2 粒子群优化算法
• 2.4.3 CALYPSO 算法
• 2.5 超导电性与电子—声子耦合
• 2.5.1 BCS 理论
• 2.5.2 电子—声子耦合
• 2.6 弹性与稳定性
• 第三章 镁元素单质的高压结构及性质
• 3.1 引言
• 3.2 计算细节
• 3.3 晶体结构
• 3.4 热力学稳定性
• 3.5 动力学稳定性
• 3.6 物态方程
• 3.7 电子性质
• 3.7.1 能带和态密度
• 3.7.2 电子局域函数
• 3.8 压力温度相图
• 3.9 本章结论
• 第四章 氯元素单质的高压结构及金属化
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节
• 4.3 氯的高压晶体结构
• 4.3.1 CALYPSO 预测的结构
• 4.3.2 非公度结构的构建
• 4.3.3 X 射线衍射图样比较
• 4.3.4 热力学稳定性
• 4.3.5 动力学稳定性
• 4.3.6 力学稳定性
• 4.4 氯的金属化和分子解离
• 4.4.1 能带和态密度
• 4.4.2 电子局域函数
• 4.4.3 原子间距的变化
• 4.4.4 Raman 谱的变化
• 4.4.5 结构定标法则
• 4.5 氯的高压超导电性
• 4.6 本章结论
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢