【摘 要】
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过渡金属磷化物有着优异的物理和化学性能,在电催化领域受到广泛的关注。压力能够有效地缩短原子间的距离,调节材料晶体结构与电子结构,获得常压下所不具备的特殊性质。因此,我们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,开展了对TMP4（TM=Cr、Mn、Fe）高压相晶体结构、电子结构和力学性质方面的研究。首先,通过CALYPSO软件结构搜索,找到了空间点群为I4/mcm、P3221和C2的Cr P4高压相,分
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过渡金属磷化物有着优异的物理和化学性能,在电催化领域受到广泛的关注。压力能够有效地缩短原子间的距离,调节材料晶体结构与电子结构,获得常压下所不具备的特殊性质。因此,我们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,开展了对TMP4（TM=Cr、Mn、Fe）高压相晶体结构、电子结构和力学性质方面的研究。首先,通过CALYPSO软件结构搜索,找到了空间点群为I4/mcm、P3221和C2的Cr P4高压相,分别在6.0、42.8和55.8 GPa时出现;空间点群为P-31c、I4/mcm、P3221和P4/nbm的Mn P4高压相,分别在20.7、46.3、77.9和95.2 GPa时出现;空间点群为P4/nbm的Fe P4高压相,于49.7 GPa时出现。其次,能带结构与态密度曲线表明I4/mcm、P3221的Cr P4结构为间接带隙半导体,带隙大小分别为0.33 e V和1.28 e V,其余高压相均为金属。第三,分析电子结构得知,P-P之间存在很强的共价相互作用,TM-P间主要为离子相互作用,但也存在部分共价相互作用。第四,随着压力升高发生相转变,TMP4由半导体转变为金属,结构中TM-P和P-P间的共价相互作用都逐渐变弱。元素掺杂是一种常用的提高催化剂活性的手段,过渡金属磷硫化物可看做是往过渡金属二硫化物里掺入一半的磷,在此方面的高压理论计算研究报道很少。因此我们系统性地研究了TMPS（TM=Fe、Co、Ni）常压与高压下的稳定结构,并讨论了其晶体结构、电子结构与弹性性质。通过结构搜索与元素替换,我们找到了在84.3和161.1 GPa时出现的高压相I-4m2-Fe PS和I41md-Fe PS,在130.5 GPa时出现的高压相P21/m-Co PS以及在34.6、53.5和76.8 GPa时出现的高压相Pca21-Ni PS、C2/m-Ni PS和C2/c-Ni PS。这些高压相均为金属。Pca21结构类型的Ni PS未来有望在实验上合成。此外,还找到了一个常压稳定的Pca21类型的Co PS结构,它是有着1.25 e V间接带隙的半导体,而P21/c结构类型的Fe PS实验结构则是间接带隙为0.56 e V的半导体。电子结构信息表明,TMPS结构中TM与P或S原子之间存在一定强度的共价相互作用,P-S键和部分P-P键是极强的共价键,大量电子局域在S原子周围,部分高压相中存在P或S原子层,以上特点对结构稳定性起到关键作用。
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