吉林大學崔田課題組Nat. Commun.：在高壓下成功合成出具有類金屬氫子晶格的超氫化物CeH9

第一作者：李鑫；通訊作者：黃曉麗，崔田；

通訊單位：吉林大學物理學院，超硬材料國家重點實驗室

論文DOI：10.1038/s41467-019-11330-6

背景介紹

金屬氫被預言為室溫超導體，還具有較高的能量密度、超流等優異的性質。高壓是獲得金屬氫最直接有效的方法，但是金屬氫產生的壓力極高，對實驗研究來說是一個巨大的挑戰，因此降低金屬氫的合成壓力是重要且關鍵的前沿課題。2004年，N. W. Ashcroft 提出了利用“化學預壓”方法來實現金屬氫的合成，即在富氫化合物中摻雜非氫原子，引起材料內部化學預壓的作用，可以有效地減少固體氫發生金屬化的壓力點。最近的理論和實驗結果顯示H₃S與LaH₁₀的超導轉變溫度分別達到了203 K與260 K，進一步表明非氫元素的加入降低了金屬化壓力形成了高溫超導體，激勵著研究者們繼續尋找新型的富氫化合物。

成果簡介

吉林大學崔田課題組利用金剛石對頂砧高壓技術與第一性原理計算研究了高壓下Ce-H體系的行為，成功合成了具有籠狀結構的超氫化物CeH₉，為尋找金屬氫及高溫超導體提供了一種有效的低壓路徑。研究發現，CeH9與其他超氫化物的合成不同，不必使用高溫條件，僅通過高壓手段便可克服勢壘進行化合。合成得到的CeH₉-P6₃/mmc具有奇特的H29籠狀結構，最近鄰氫原子之間的距離在已知氫化物中最接近金屬原子氫。

圖文導讀

通過金剛石對頂砧技術形成高壓，直接使鈰與氫進行化合，反應生成了5種配比的鈰氫化物。

Figure?1 為不同壓力下鈰氫化物的XRD衍射譜。

Figure?1a為3-159 GPa壓力范圍內的XRD衍射譜。發現，隨著壓力的增加共發生了4次結構相變。Figure?1b展示了CeH₃, CeH₄, CeH_9?δ，CeH₉精修圖譜。照片插圖顯示過量的氫仍為透明狀態。

Figure 2 為各個鈰氫化物體積隨壓力的變化關系。

實驗結果與DFT計算結果一致。實心圓點代表各相的實驗P-V數據；實線表示實驗P-V數據BM方程的擬合結果；虛線代表DFT計算的物態方程；點線代表Ce與H₂的體積加和。

Figure 3 為CeH₄和 CeH₉的晶體結構示意圖及結構中最近鄰氫原子距離的比較。

a圖為 CeH₄-I4/mmm的晶體結構示意圖。b圖CeH₉-P6₃/mmc?的晶體結構示意圖。c圖為 CeH₉結構中擴展的三維H原子網狀結構。d圖為CeH₉結構中的H₂₉籠狀結構。e圖為各二元富氫化物中的最近鄰氫原子距離與金屬氫中最近鄰氫原子距離的比較。CeH₉中的最近鄰氫原子距離在已知氫化物中最小，與金屬氫最為接近。

Figure?4 為CeH₉在100 GPa時的電子性質。

Figure?4a為CeH₉結構中100 GPa的電子局域函數，CeH₉中存在H₄，H₅, H₆環狀結構。Figure?4b為CeH₉電子能帶結構及態密度。電子能帶結構說明CeH₉呈現金屬性，電子態密度表明氫原子在費米面處有較大的貢獻。

結論：

本工作成功合成了系列鈰氫化物CeH₃,?CeH_3+x, CeH₄, CeH_9-δ,CeH₉，氫化物的配比隨著壓力的增加而增加，其中CeH₉具有奇特的籠狀結構，且呈現金屬性，氫在費米面處有較高的貢獻。Ce原子的引入穩定了類原子氫的亞晶格。CeH₉的成功合成為在氫化物中尋找金屬氫及高溫超導體提供了一種重要的低壓路徑。

作者介紹：

黃曉麗副教授：2013年，在吉林大學超硬材料國家重點實驗室獲得博士學位。作為項目負責人，主持了國家自然科學基金項目2項、中國博士后面上一等資助項目 1 項和中國博士后特別資助項目1項等。在 Nature?Communications、Advanced Science、National Science Review等學術期刊上發表了 30 余篇 SCI 學術論文。

崔田教授：長江學者特聘教授，“萬人計劃”科技創新領軍人才，主持了國家重點基礎研究發展計劃（973）項目、基金委重點項目等研究課題。擔任或曾經擔任國際高壓科學與技術協會（AIRAPT）執委會執委、中國物理學會常務理事、中國物理學會高壓物理專業委員會主任等職務。

研究方向：超高壓下超氫化物的結構及超導電性研究，超高壓極端條件下的理論方法與原位實驗技術，超高壓等極端條件下材料結構與性質、雜質與缺陷行為，新型功能材料的設計與合成。

聯系方式：cuitian@jlu.edu.cn

課題組鏈接：http://tcui.jlu.edu.cn

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11330-6

本文由吉林大學崔田課題組供稿。

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