[論文レビュー] Sr-Doped Molecular Hydrogen: Synthesis and Properties of SrH$_{22}$

Dmitrii V. Semenok, Wuhao Chen+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 27被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、4 at.%のストロンチウムを分子水素にドーピングすることで、純粋な水素が必要とする400 GPa以上の圧力よりもはるかに低い約200 GPaで金属化が達成されることを示している。高圧合成とインピーダンス分光法を用いて、Sr原子1個あたり22個のH原子を有する最高のH含有量を示した四角晶のストロンチウム亜格子水素化物P1-SrH22が同定され、これは分子半導体としての性質を示し、水素の金属化を研究するモデル系として機能する。

ABSTRACT

Recently, several research groups announced reaching the point of metallization of hydrogen above 400 GPa. Following the mainstream of extensive investigations of compressed polyhydrides, in this work we demonstrate that small (4 atom %) doping of molecular hydrogen by strontium leads to a dramatic reduction in the metallization pressure to about 200 GPa. Studying the high-pressure chemistry of the Sr-H system at 56-180 GPa, we observed the formation of several previously unknown compounds: C2/m-Sr$_3$H$_{13}$, pseudocubic SrH$_6$, SrH$_9$ with cubic F-43m Sr sublattice, and pseudotetragonal P1-SrH$_{22}$, the metal hydride with the highest hydrogen content discovered so far. Unlike Ca and Y, strontium forms molecular semiconducting polyhydrides, whereas calcium and yttrium polyhydrides are high-Tc superconductors with an atomic H sublattice. The latter phase, SrH$_{22}$ or Sr$_{0.04}$H$_{0.96}$, may be considered as a convenient model of the consistent bandgap closure and metallization of hydrogen. Using the impedance measurements in diamond anvil cells at 300-440 K, we estimated the direct bandgap of the Pm-3n-like compound P1-SrH$_6$ to be 0.44-0.51 eV at 150 GPa, and its metallization pressure to be 220 GPa. Together with the machine learning interatomic potentials, the impedance spectroscopy allowed us to estimate the diffusion coefficients of hydrogen D$_H$ = 1.0-2.8 E-10 m$^2$/s in SrH$_6$ and 1.2-2.1 E-9 m$^2$/s in P1-SrH$_{22}$ at 500-600 K.

研究の動機と目的

• Srドーピングが水素の金属化に要する圧力を低下させるかどうかを調査すること。
• 極限条件下で形成される新しい高圧Sr–H多水素化物を同定し、その特徴を明らかにすること。
• SrH6およびSrH22の電子的およびイオン的輸送特性を調査し、水素の金属化のモデルとしての役割を検討すること。
• 分子状から金属的へと転移する水素の研究に実用的な実験的プラットフォームを提供すること。

提案手法

• 56–180 GPa、300–600 Kの条件下でダイヤモンドアンビルセルを用いたSr–H化合物の高圧合成。
• Sr–H系における安定相の同定を目的としたUSPEXコードを用いた構造予測。
• インピーダンス分光法を用いてダイヤモンドアンビルセル内で電気的性質を測定し、バンドギャップおよび拡散係数を推定。
• 第一原理分子動力学シミュレーション（VASP、PBE GGA）および機械学習原子間ポテンシャル（MLIP）を用いて水素拡散を計算。
• インピーダンス分光法のニルキストプロットを分析し、等価回路パラメータ（R1, C1, R2, CPE）を抽出し、光起電力効果の影響を評価。
• アレニウス式を用いて、平均二乗変位（MSD）データから温度依存の拡散係数をモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Srドーピングにより、水素の金属化圧力が400 GPa未満に低下するか。
• RQ2 56–180 GPaの条件下で形成される新しい高圧Sr–H化合物は何か。その結晶構造は。
• RQ3 150 GPaにおけるP1-SrH6の直接バンドギャップは何か。金属化はどの圧力で起こるか。
• RQ4 SrH6およびSrH22における水素の拡散係数は、温度および圧力にどのように依存するか。
• RQ5 光照射がSrH6の電気的応答にどの程度影響を及えるか。

主な発見

• 140 GPaで合成された四角晶水素化物P1-SrH22は、Sr原子1個あたり22個のH原子を有し、イエローカラーを示し、半導体的性質を示した。
• 150 GPaにおけるP1-SrH6の直接バンドギャップは0.44–0.51 eVと推定され、約220 GPaで金属化が起こった。
• 500–600 Kで測定された拡散係数は、SrH6では1–2.8×10⁻¹⁰ m²/s、P1-SrH22では1.2–2.1×10⁻⁹ m²/sであった。
• 532 nmレーザー照射下でSrH6の電極反応における抵抗が増加し、光誘発キャリア生成を示唆した。
• バーダー電荷追跡による構造的および電荷的解析から、熱的拡散シミュレーション後に原子電荷にほとんど変化がなかった。
• 拡散データのアレニウスフィットにより、高温下での両相における熱的駆動水素輸送が確認された。