【摘 要】
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压力作为调节材料各种物理化学性质的一种干净有效的手段,被研究者应用于探索具备各种卓越性能的材料的研究当中。砷化物作为拓扑超导体的重要成员,因其具有独特的结构特性和优异的性能,受到了人们的广泛关注。本文基于第一性原理计算方法,结合晶体结构搜索技术,在高达100 GPa压力下对钴砷化合物进行了系统的研究。得出钴砷二元化合物不同化学配比的相变序列,同时初次给出了钴砷二元化合物的压力结构相图。我们预测得出
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压力作为调节材料各种物理化学性质的一种干净有效的手段,被研究者应用于探索具备各种卓越性能的材料的研究当中。砷化物作为拓扑超导体的重要成员,因其具有独特的结构特性和优异的性能,受到了人们的广泛关注。本文基于第一性原理计算方法,结合晶体结构搜索技术,在高达100 GPa压力下对钴砷化合物进行了系统的研究。得出钴砷二元化合物不同化学配比的相变序列,同时初次给出了钴砷二元化合物的压力结构相图。我们预测得出的常压下结构同实验上得出的结构相互吻合。此外,我们预测得到了三个高压新相:Co2As-Pnma,CoAs2-Pnnm和CoAs3-C2/m结构。为了确定这三个高压新相的稳定性,我们从动力学和热力学两个方面进行了验证:（1）进行了声子色散关系的计算,结果显示三个结构的声子在布里渊区内均没有出现虚频现象,表明结构具有动力学稳定性;（2）根据生成焓的计算结果,表明三个高压新相在所研究的压力范围内具有热力学稳定性。为了明确高压下新结构的电子性质和成键行为,我们首先对三个高压新相的能带结构与态密度进行了计算。电子能带结果显示三相的导带均穿越费米面,这表明三个高压新相均具有金属特性。电子态密度结果表明:在Co2As-Pnma结构中,费米面附近主要是由Co原子的d轨道贡献;而在CoAs2-Pnnm和CoAs3-C2/m结构中,在-2-2 eV的区间,Co原子的d轨道与As原子的p轨道存在强烈杂交,费米面附近也由这两个轨道共同贡献。此外值得注意的是,在CoAs3-C2/m结构中发现了压力诱导的电子拓扑相变的存在,这在其他结构中并没有发现。计算的电子局域函数结果表明,三个高压新相中均存在金属键与离子键,而在CoAs2-Pnnm和CoAs3-C2/m结构中,Co原子与As原子之间还存在极性共价键的相互作用。通过对弹性性质的计算,结果显示三相均具备卓越的延展性,其中Co2As-Pnma结构具有较高的压缩抵抗力和较强的刚性。我们对Co-As二元化合物系统的研究,提出了其结构相图,并且对于高压新相的电学性质以及成键行为进行了详细的描述,充分展示了钴砷化合物在高压下的卓越性能,因此有着重要的研究意义。
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