高壓下Kagome氫化物超導(dǎo)體Be2SH3介紹

01引言

高壓一直被用作獲得新的化合物的有效工具。氫由于原子質(zhì)量小，聲子振動頻率強，被認(rèn)為是高溫超導(dǎo)體的理想候選者。氫金屬化所需的壓力目前實驗上很難達到，而氫化物在重原子的“化學(xué)預(yù)壓縮”的作用下能夠顯著降低合成壓力。因此在高壓下探索氫化物以尋找高溫甚至室溫超導(dǎo)體是當(dāng)今科研熱點。二元氫化物已被廣泛研究，因此科學(xué)家的目光重點轉(zhuǎn)向三元氫化物。一方面，第三個元素的加入可以極大的擴展新相空間，提高尋找高溫超導(dǎo)體的可能性；另一方面，不同體積的元素的組合可以顯著降低穩(wěn)定壓強。硫氫化物在高壓下表現(xiàn)出豐富的相圖，其中H3S是第一個被實驗證實的理論預(yù)測超導(dǎo)體，在155 GPa下Tc為203 K；鈹氫化物在0-400 GPa的壓力范圍內(nèi)，BeH2是唯一穩(wěn)定的化合物，在365 GPa時最大Tc為97 K；因此在高壓下對Be-S-H體系的研究是尋找高溫超導(dǎo)體的有效途徑，值得系統(tǒng)研究。

02成果簡介

在本工作中，首先利用晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測軟件對Be-S-H體系進行詳盡的結(jié)構(gòu)搜索確定了迄今為止未知的熱力學(xué)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，接著基于密度泛函理論采用第一性原理方法對穩(wěn)定化合物的電子聲子等性質(zhì)進行探究。利用鴻之微DS-PAW軟件其進行了具體的結(jié)構(gòu)弛豫、能帶以及態(tài)密度的計算。數(shù)據(jù)結(jié)果表明：Be-S-H體系中熱力學(xué)穩(wěn)定的化學(xué)計量比Be2SH3在168 GPa的壓強以上呈現(xiàn)熱力學(xué)穩(wěn)定性，并且可以泄壓到60 GPa保持動力學(xué)穩(wěn)定性。P6/mmmBe2SH3結(jié)構(gòu)中的H原子排列形成了一個Kagome晶格，同時S原子占據(jù)了Be的六元環(huán)中心。

進一步計算發(fā)現(xiàn)在100 GPa下，Be2SH3具有29 K的超導(dǎo)電。通過振動模式分析發(fā)現(xiàn)，Be2SH3的超導(dǎo)電性主要源于S原子和Kagome-H的電子與低頻區(qū)Be原子的面內(nèi)振動和S原子的面外振動為主的聲子之間的耦合。此外，Kagome-H晶格對總電子-聲子耦合的貢獻是隨著壓力線性增加，表明其在壓力下對超導(dǎo)電性的起到的是增強的作用。同時對于二元BeS4，研究發(fā)現(xiàn)隨著壓力的降低，電聲耦合參數(shù)λ增加到1.5,使得Tc能夠達到27 K，這是目前發(fā)現(xiàn)的300 GPa以下二元硫化物中具有較高超導(dǎo)溫度的材料。

03圖文導(dǎo)讀

圖1BexSyHz相對于Be單質(zhì), S單質(zhì), H單質(zhì)以及其二元化合物在(a) 200 GPa和(b) 300 GPa下的熱力學(xué)穩(wěn)定性。紅色和灰色方格分別表示熱力學(xué)穩(wěn)定和熱力學(xué)不穩(wěn)定的化學(xué)計量比。

圖2(a)P6/mmmBe2SH3和(b)P-421cBeS4結(jié)構(gòu)的焓相對單質(zhì)和二元化合物隨壓強的變化圖。

圖3熱力學(xué)穩(wěn)定化合物的晶體結(jié)構(gòu): (a) 200 GPa下P6/mmmBe2SH3(側(cè)視圖和俯視圖),(b)300GPa下P-421cBeS4。綠色、黃色和粉色球體分別代表Be、S和H原子。

圖4(a) 200 GPa下P6/mmmBe2SH3和(b)300GPa下P-421cBeS4的電子局域密度函數(shù)。等值面取值為0.75。

圖5在300 GPa下, S-S原子之間距離分別為(a) 1.96、(b) 2.06和(c) 2.10?的P-421cBeS4的COHP和ICOHP。

圖6(a)P6/mmmBe2SH，P-421cBeS4在(b) 300 GPa和(c) 180 GPa下的費米能級附近的電子帶結(jié)構(gòu)和原子投射密度。

圖7P6/mmmBe2SH3在(a)200GPa下和(b)100 GPa下,P-421cBeS4在(b) 300 GPa和(c) 180 GPa下的聲子色散、電聲耦合常數(shù)和譜函數(shù)。

圖8(a)P6/mmmBe2SH3在300GPa下的聲子色散、電聲耦合常數(shù)和譜函數(shù)。(b)P6/mmmBe2SH3的λ、λ(H)和Tc隨壓力變化函數(shù)。

04 小結(jié)

本項工作采用結(jié)構(gòu)搜索和第一性原理計算相結(jié)合的方法，確定了100 GPa、200 GPa和300 GPa高壓下Be-S-H體系的相圖。三元穩(wěn)定化合物Be2SH3在168 GPa以上熱力學(xué)穩(wěn)定。有趣的是，Be2SH3中的氫原子排列形成了一個有趣的Kagome晶格。

進一步的計算證實了Be2SH3是一個在100 GPa下Tc為29 K的超導(dǎo)體，這主要是由于來自S原子和Kagome-H的電子與來自Be和S原子相關(guān)的低頻軟化模式的聲子之間的耦合。Kagome-H對總EPC的貢獻隨著壓力的增加而增加，這表明新型氫單元對高壓超導(dǎo)性的重要性。此外，二元BeS4化合物在180 GPa下的超導(dǎo)溫度為27 K，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高于大多數(shù)二元非氫硫化物，其超導(dǎo)電性主要來自與S原子相關(guān)的軟化的聲學(xué)支。

審核編輯：劉清