铬元素和时效时间对Timetal LCB铸造合金微观结构及力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Effect of chromium element and aging time on the microstructure and mechanical properties of casting Timetal LCB

本研究系统探究了Tl-H体系的高压结构及超导性质，通过计算发现C2/c-TlH5、Cc-TlH6、C2221-TlH6和Fddd-TlH8四种稳定相。其中Fddd-TlH8在400 GPa下实现150 K的超导临界温度，创Group IIIA氢化物纪录，其高Tc源于H2单元振动模式增强的电子-声子耦合作用。

　　

郭兰茜|张启月|刘崇新|张茹蓉

山东师范大学物理与电子学院，中国济南250014

摘要

为了寻找高温超导体，我们研究了富含氢的TlH_n（n = 1-10）化合物的结构、电子性质和超导性质。我们发现了四种具有新化学计量的稳定相：C_2/c-TlH₅、Cc-TlH₆、C₂₂₂₁-TlH₆和Fddd-TlH₈。有趣的是，Fddd-TlH₈在400 GPa下的超导临界温度（T_c）高达150 K，这是迄今为止在IIIA族氢化物中发现的最高T_c。其高T_c可归因于Fddd-TlH₈结构中H₂单元独特的振动动力学所导致的增强电子-声子耦合（EPC）。我们的研究为寻找高温超导体提供了新的结构和超导机制，并为未来该化合物的实验合成提供了理论支持。

引言

在高压下研究室温超导体是凝聚态物理学中的一个重要课题[1]。在巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论[2]的指导下，结合对高温超导性的理论预测和实验验证[3]、[4]、[5]、[6]、[7]，近年来发现了一系列具有显著高超导临界温度（T_c）的富含氢的化合物。例如，二元氢化物LaH₁₀[4]、[8]在170 GPa下的T_c为260 K，H₃S[3]、[9]在160 GPa下达到200 K，而亚稳态三元氢化物Li₂MgH₁₆[10]、[11]、[12]在250 GPa下达到473 K。这些高温超导体的发现及其超导机制的阐明极大地促进了其他富含氢的超导材料的探索[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。在寻找高温超导氢化物的过程中，笼状结构受到了广泛关注，而分子氢化物由于其通常较低的T_c而常被忽视。然而，最近的研究预测许多分子氢化物也可能表现出意外的高超导性[19]、[20]、[21]、[22]。

已经研究了IIIA族前四种元素的二元氢化物的超导性质。对于B-H体系，正交（Pbcn）相的BH₃[23]、六方（P_6/mm）相的BH[24]和单斜（C_2/c）相的BH₂[25]在360 GPa下的T_c分别为125 K、21 K和28 K。在铝氢化物中，单斜（P_21/m）相的AlH₅[26]在250 GPa下的T_c为146 K，但它是亚稳态的。具有钙钛矿结构的Al₄H[27]在常压下表现出超导性。三角（R-3m）相的AlH[28]和立方（Pm-3m）相的AlH₃[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]在180 GPa下表现出超导性，在105 GPa下达到29 K。具有正交（C₂₂₂₁）对称性的镓氢化物GaH₇[37]预计在300 GPa下能达到104 K。三角（R-3）相的InH₃[38]在200 GPa下预测可达41 K，单斜（P_21/m）相的InH₅在150 GPa下达到27 K。到目前为止，同一IIIA族的二元铊氢化物的超导性质尚未被研究。金属的原子半径越大，能够结合的氢越多，从而可能产生更高的T_c[14]、[15]、[39]、[40]。最近的研究发现，铅氢化物（PbH₈）[41]（一种与铊（Tl）相邻的元素的氢化物）的超导温度可高达178 K，这促使我们开展了对铊氢化物的研究。

使用CalyPSO代码[42]、[43]和VASP软件[44]系统地研究了高压下的铊-氢（Tl-H）体系。这种方法在多个领域取得了巨大成功[45]、[46]、[47]。我们的研究发现了四种能量稳定的结构（C_2/c-TlH₅、Cc-TlH₆、C₂₂₂₁-TlH₆和Fddd-TlH₈）及其超导性质。有趣的是，稳定的TlH₈化合物在高压下的T_c高达150 K，这是IIIA族超导化合物中最高的T_c。

结果与讨论

在这项研究中，我们对富含氢的TlH_n（n = 1-10）化合物进行了结构搜索，以探索新的相和潜在的超导性。根据图1所示，通过考虑元素解离产物的形成焓，得出了不同压力条件下Tl-H化合物的凸包。选择Tl和H的最低焓相作为热力学参考，以确保结果的准确性。使用了P₆₃/_m、C_2/c和Cmca相作为

结论

在这项工作中，我们系统研究了高压条件下的Tl-H体系的结构和物理性质。我们发现了四种热力学稳定的相：C_2/c-TlH₅、Cc-TlH₆、C₂₂₂₁-TlH₆和Fddd-TlH₈。其中，Fddd-TlH₈相的T_c达到了150 K的创纪录值，超过了之前报道的IIIA族氢化物的T_c。这一异常高的T_c归因于H₂单元独特的振动动力学所驱动的强电子-声子耦合。

CRediT作者贡献声明

刘崇新：指导、研究。张启月：指导、研究。张茹蓉：撰写——审稿与编辑、指导、资源管理、项目协调、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。郭兰茜：撰写——初稿、研究、数据分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12204280）、山东省自然科学基金（项目编号ZR202103010004）、中国博士后科学基金（证书编号：2023T160396、2021M691980）以及山东省高校青年教师创新团队计划（2023KJ350）的支持。