高压下Kagome氢化物超导体Be2SH3介绍

01 引言

 高压一直被用作获得新的化合物的有效工具。氢由于原子质量小，声子振动频率强，被认为是高温超导体的理想候选者。氢金属化所需的压力目前实验上很难达到，而氢化物在重原子的“化学预压缩”的作用下能够显著降低合成压力。因此在高压下探索氢化物以寻找高温甚至室温超导体是当今科研热点。二元氢化物已被广泛研究，因此科学家的目光重点转向三元氢化物。一方面，第三个元素的加入可以极大的扩展新相空间，提高寻找高温超导体的可能性；另一方面，不同体积的元素的组合可以显著降低稳定压强。硫氢化物在高压下表现出丰富的相图，其中H3S是第一个被实验证实的理论预测超导体，在155 GPa下Tc为203 K；铍氢化物在0-400 GPa的压力范围内，BeH2是唯一稳定的化合物，在365 GPa时最大Tc为97 K；因此在高压下对Be-S-H体系的研究是寻找高温超导体的有效途径，值得系统研究。

02 成果简介

在本工作中，首先利用晶体结构预测软件对Be-S-H体系进行详尽的结构搜索确定了迄今为止未知的热力学稳定结构，接着基于密度泛函理论采用第一性原理方法对稳定化合物的电子声子等性质进行探究。利用鸿之微DS-PAW软件其进行了具体的结构弛豫、能带以及态密度的计算。数据结果表明：Be-S-H体系中热力学稳定的化学计量比Be2SH3在168 GPa的压强以上呈现热力学稳定性，并且可以泄压到60 GPa保持动力学稳定性。P6/mmm Be2SH3结构中的H原子排列形成了一个Kagome晶格，同时S原子占据了Be的六元环中心。

进一步计算发现在100 GPa下，Be2SH3具有29 K的超导电。通过振动模式分析发现，Be2SH3的超导电性主要源于S原子和Kagome-H的电子与低频区Be原子的面内振动和S原子的面外振动为主的声子之间的耦合。此外，Kagome-H晶格对总电子-声子耦合的贡献是随着压力线性增加，表明其在压力下对超导电性的起到的是增强的作用。同时对于二元BeS4，研究发现随着压力的降低，电声耦合参数λ增加到1.5, 使得Tc能够达到27 K，这是目前发现的300 GPa以下二元硫化物中具有较高超导温度的材料。

03 图文导读

图1 BexSyHz相对于Be单质, S单质, H单质以及其二元化合物在(a) 200 GPa和(b) 300 GPa下的热力学稳定性。红色和灰色方格分别表示热力学稳定和热力学不稳定的化学计量比。

图2 (a) P6/mmm Be2SH3和 (b) P-421c BeS4 结构的焓相对单质和二元化合物随压强的变化图。

图3 热力学稳定化合物的晶体结构: (a) 200 GPa下P6/mmm Be2SH3(侧视图和俯视图), (b) 300 GPa下 P-421c BeS4。绿色、黄色和粉色球体分别代表Be、S和H原子。

图4 (a) 200 GPa下 P6/mmm Be2SH3和 (b) 300 GPa下 P-421c BeS4的电子局域密度函数。等值面取值为0.75。

图5 在300 GPa下, S-S原子之间距离分别为(a) 1.96、(b) 2.06和(c) 2.10 Å的P-421c BeS4的COHP和ICOHP。

图 6 (a) P6/mmm Be2SH，P-421c BeS4在(b) 300 GPa和(c) 180 GPa下的费米能级附近的电子带结构和原子投射密度。

图 7 P6/mmm Be2SH3在(a) 200 GPa下和(b)100 GPa下,P-421c BeS4在(b) 300 GPa和(c) 180 GPa下的声子色散、电声耦合常数和谱函数。

图 8 (a) P6/mmm Be2SH3在300 GPa下的声子色散、电声耦合常数和谱函数。(b) P6/mmm Be2SH3的λ、λ(H)和Tc随压力变化函数。

04  小结

本项工作采用结构搜索和第一性原理计算相结合的方法，确定了100 GPa、200 GPa和300 GPa高压下Be-S-H体系的相图。三元稳定化合物Be2SH3在168 GPa以上热力学稳定。有趣的是，Be2SH3中的氢原子排列形成了一个有趣的Kagome晶格。

进一步的计算证实了Be2SH3是一个在100 GPa下Tc为29 K的超导体，这主要是由于来自S原子和Kagome-H的电子与来自Be和S原子相关的低频软化模式的声子之间的耦合。Kagome-H对总EPC的贡献随着压力的增加而增加，这表明新型氢单元对高压超导性的重要性。此外，二元BeS4化合物在180 GPa下的超导温度为27 K，其超导转变温度高于大多数二元非氢硫化物，其超导电性主要来自与S原子相关的软化的声学支。

审核编辑：刘清