高压,作为一个重要的热动力学参量,在研究材料的物理和化学行为,特别是探讨星球演化、功能材料合成、物性调控等方面,已经被认为是一种强有力的研究工具。物质在高度压缩下,可发生原子重排和电子重组,导致结构和电子相变,呈现出新奇现象和新颖性质。极端条件下,对物质的结构和电子特性的研究是近年来物理学、化学、地球物理和材料科学研究中的一个热点。
碳和碳基材料受到人们的广泛关注,这是因为碳原子可以形成丰富的化学键(sp、sp2、sp3),从而导致碳原子能以零维至三维形式存在。最近,物电学院李延龄老师及其合作者对碱土金属碳化物的研究取得进展。他们就CaC2在高压下的结构、电子和动力学行为进行系统研究,清楚地揭示了碳在碱土金属二碳化物中的演化规律、碱土金属二碳化物的动力学性质及其超导特性。利用遗传算法,结合第一性原理总能计算,准确地确定了结构相变序列,研究发现:碳原子排布发生由“局域”的二聚体到碳链到碳纳米带再到二维层(石墨层)的转变,这一结构相变规律可以外推到同族碳化物BaC2和SrC2。对高压相的电子行为的研究发现:CaC2在较低压力下实现金属化;高压相呈现出超导特性,最高的Tc达7.9~9.8K,这一超导转变温度可与超导体CaC6的Tc值相比拟。
相关研究,得到国家自然科学基金、江苏省优势学科和江苏省教育厅出国研修项目的资助。
(a)CaC2的焓-压曲线 (b)CaC2的晶体结构
(c)Tc和wlog随压力的变化,插图为电声耦合系数λ随压力的变化
这一研究成果已发表在国际综合性期刊美国国家科学院院刊
(PNAS)杂志PNAS 110(23),9289-9294(2013)。
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Pressure-induced superconductivity in CaC2