高壓下Kagome氫化物超導體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。氫由于原子質量小，聲子振動頻率強，被認為是高溫超導體的理想候選者。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“化學預壓縮”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體是當今科研熱點。二元氫化物已被廣泛研究，因此科學家的目光重點轉向三元氫化物。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測超導體，在155 GPa下Tc為203 K；鈹氫化物在0-400 GPa的壓力范圍內，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，首先利用晶體結構預測軟件對Be-S-H體系進行詳盡的結構搜索確定了迄今為止未知的熱力學穩(wěn)定結構，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進行探究。利用鴻之微DS-PAW軟件其進行了具體的結構弛豫、能帶以及態(tài)密度的計算。數(shù)據(jù)結果表明：Be-S-H體系中熱力學穩(wěn)定的化學計量比Be2SH3在168 GPa的壓強以上呈現(xiàn)熱力學穩(wěn)定性，并且可以泄壓到60 GPa保持動力學穩(wěn)定性。P6/mmmBe2SH3結構中的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的超導電。通過振動模式分析發(fā)現(xiàn)，Be2SH3的超導電性主要源于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溫度的材料。

03圖文導讀

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

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

圖3熱力學穩(wěn)定化合物的晶體結構: (a) 200 GPa下P6/mmmBe2SH3(側視圖和俯視圖),(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構和原子投射密度。

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

本項工作采用結構搜索和第一性原理計算相結合的方法，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性的重要性。此外，二元BeS4化合物在180 GPa下的超導溫度為27 K，其超導轉變溫度高于大多數(shù)二元非氫硫化物，其超導電性主要來自與S原子相關的軟化的聲學支。

審核編輯：劉清