吉林大学崔田课题组Nat. Commun.：在高压下成功合成出具有类金属氢子晶格的超氢化物CeH9

第一作者：李鑫；通讯作者：黄晓丽，崔田；

通讯单位：吉林大学物理学院，超硬材料国家重点实验室

论文DOI：10.1038/s41467-019-11330-6

背景介绍

金属氢被预言为室温超导体，还具有较高的能量密度、超流等优异的性质。高压是获得金属氢最直接有效的方法，但是金属氢产生的压力极高，对实验研究来说是一个巨大的挑战，因此降低金属氢的合成压力是重要且关键的前沿课题。2004年，N. W. Ashcroft 提出了利用“化学预压”方法来实现金属氢的合成，即在富氢化合物中掺杂非氢原子，引起材料内部化学预压的作用，可以有效地减少固体氢发生金属化的压力点。最近的理论和实验结果显示H₃S与LaH₁₀的超导转变温度分别达到了203 K与260 K，进一步表明非氢元素的加入降低了金属化压力形成了高温超导体，激励着研究者们继续寻找新型的富氢化合物。

成果简介

吉林大学崔田课题组利用金刚石对顶砧高压技术与第一性原理计算研究了高压下Ce-H体系的行为，成功合成了具有笼状结构的超氢化物CeH₉，为寻找金属氢及高温超导体提供了一种有效的低压路径。研究发现，CeH9与其他超氢化物的合成不同，不必使用高温条件，仅通过高压手段便可克服势垒进行化合。合成得到的CeH₉-P6₃/mmc具有奇特的H29笼状结构，最近邻氢原子之间的距离在已知氢化物中最接近金属原子氢。

图文导读

通过金刚石对顶砧技术形成高压，直接使铈与氢进行化合，反应生成了5种配比的铈氢化物。

Figure 1 为不同压力下铈氢化物的XRD衍射谱。

Figure 1a为3-159 GPa压力范围内的XRD衍射谱。发现，随着压力的增加共发生了4次结构相变。Figure 1b展示了CeH₃, CeH₄, CeH_9−δ，CeH₉精修图谱。照片插图显示过量的氢仍为透明状态。

Figure 2 为各个铈氢化物体积随压力的变化关系。

实验结果与DFT计算结果一致。实心圆点代表各相的实验P-V数据；实线表示实验P-V数据BM方程的拟合结果；虚线代表DFT计算的物态方程；点线代表Ce与H₂的体积加和。

Figure 3 为CeH₄和 CeH₉的晶体结构示意图及结构中最近邻氢原子距离的比较。

a图为 CeH₄-I4/mmm的晶体结构示意图。b图CeH₉-P6₃/mmc 的晶体结构示意图。c图为 CeH₉结构中扩展的三维H原子网状结构。d图为CeH₉结构中的H₂₉笼状结构。e图为各二元富氢化物中的最近邻氢原子距离与金属氢中最近邻氢原子距离的比较。CeH₉中的最近邻氢原子距离在已知氢化物中最小，与金属氢最为接近。

Figure 4 为CeH₉在100 GPa时的电子性质。

Figure 4a为CeH₉结构中100 GPa的电子局域函数，CeH₉中存在H₄，H₅, H₆环状结构。Figure 4b为CeH₉电子能带结构及态密度。电子能带结构说明CeH₉呈现金属性，电子态密度表明氢原子在费米面处有较大的贡献。

结论：

本工作成功合成了系列铈氢化物CeH₃, CeH_3+x, CeH₄, CeH_9-δ,CeH₉，氢化物的配比随着压力的增加而增加，其中CeH₉具有奇特的笼状结构，且呈现金属性，氢在费米面处有较高的贡献。Ce原子的引入稳定了类原子氢的亚晶格。CeH₉的成功合成为在氢化物中寻找金属氢及高温超导体提供了一种重要的低压路径。

作者介绍：

黄晓丽副教授：2013年，在吉林大学超硬材料国家重点实验室获得博士学位。作为项目负责人，主持了国家自然科学基金项目2项、中国博士后面上一等资助项目 1 项和中国博士后特别资助项目1项等。在 Nature Communications、Advanced Science、National Science Review等学术期刊上发表了 30 余篇 SCI 学术论文。

崔田教授：长江学者特聘教授，“万人计划”科技创新领军人才，主持了国家重点基础研究发展计划（973）项目、基金委重点项目等研究课题。担任或曾经担任国际高压科学与技术协会（AIRAPT）执委会执委、中国物理学会常务理事、中国物理学会高压物理专业委员会主任等职务。

研究方向：超高压下超氢化物的结构及超导电性研究，超高压极端条件下的理论方法与原位实验技术，超高压等极端条件下材料结构与性质、杂质与缺陷行为，新型功能材料的设计与合成。

联系方式：cuitian@jlu.edu.cn

课题组链接：http://tcui.jlu.edu.cn

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11330-6

本文由吉林大学崔田课题组供稿。

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