[논문 리뷰] Sr-Doped Molecular Hydrogen: Synthesis and Properties of SrH$_{22}$

Dmitrii V. Semenok, Wuhao Chen외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 27인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 분자 수소에 4 at.% 스트론티움을 도핑함으로써 순수 수소가 금속화되기 위해 필요한 400+ GPa보다 훨씬 낮은 약 200 GPa에서 금속화가 가능하다는 것을 입증한다. 고압 합성 및 임피던스 스펙트로스코피를 통해 저자들은 기존에 관찰된 바 없는 가장 높은 수소 농도(스트론티움 당 22개의 수소 원자)를 지닌 사면체 구조의 스트론티움 하위격자 수소화물인 P1-SrH22를 규명하였으며, 이는 분자 반도체이자 수소 금속화의 모델 시스템으로 기능한다.

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.

연구 동기 및 목표

• Sr 도핑이 수소 금속화에 필요한 압력을 낮출 수 있는지 탐색하기 위해.
• 극한 조건에서 형성된 새로운 고압 Sr–H 다수합 화합물을 규명하고 특성화하기 위해.
• SrH6와 SrH22의 전자 및 이온 이동성 특성을 분석하여 수소 금속화의 모델로 활용하기 위해.
• 분자 상태에서 금속 상태로의 전이를 연구할 수 있는 실현 가능한 실험 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 56–180 GPa 및 300–600 K 조건에서 다이아몬드 압력 셀을 이용한 Sr–H 화합물의 고압 합성.
• Sr–H 계에서 안정한 상을 규명하기 위해 USPEX 코드를 사용한 구조 예측.
• 임피던스 스펙트로스코피를 통해 전기적 성질을 측정하고, 밴드 갭 및 확산 계수를 추정하기 위해 다이아몬드 압력 셀에서의 실험 수행.
• 첫 번째 원리 분자 동역학 시뮬레이션(VASP, PBE GGA) 및 기계학습 상호작용 잠재에너지(MLIP)를 사용하여 수소 확산 계수 계산.
• 임피던스 스펙트로스코피에서의 니크베르크 플롯 분석을 통해 등가 회로 매개변수(R1, C1, R2, CPE)를 추출하고 광전도성 영향을 평가하기 위해.
• 평균 제곱 이동(MSD) 데이터로부터 온도 의존성 확산 계수를 모델링하기 위해 아레니우스 방정식 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sr 도핑이 수소의 금속화 압력을 400 GPa 이하로 낮출 수 있는가?
• RQ2 56–180 GPa 조건에서 새로운 고압 Sr–H 화합물이 형성되는가? 그 결정 구조는 어떠한가?
• RQ3 150 GPa에서 P1-SrH6의 직접 밴드 갭은 얼마이며, 어느 압력에서 금속화가 발생하는가?
• RQ4 SrH6와 SrH22에서 수소 확산 계수는 온도와 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 광조사가 SrH6의 전기적 반응에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 140 GPa에서 합성된 사면체 구조의 수소화물인 P1-SrH22는 스트론티움 당 22개의 수소 원자를 포함하며 노란색을 띠고 있고, 반도체적 성질을 나타낸다.
• 150 GPa에서 P1-SrH6의 직접 밴드 갭은 0.44–0.51 eV로 추정되었으며, 약 220 GPa에서 금속화가 발생한다.
• 500–600 K 조건에서 SrH6의 수소 확산 계수는 1–2.8×10⁻¹⁰ m²/s, P1-SrH22는 1.2–2.1×10⁻⁹ m²/s로 측정되었다.
• 532 nm 레이저 조사 조건에서 SrH6의 광전도성이 증가하여 전극 반응에서 저항이 증가하였으며, 이는 빛에 의한 실리콘 생성을 시사한다.
• Bader 전하 추적을 통한 구조 및 전하 분석 결과, 열적 확산 시뮬레이션 후 원자 전하에 미미한 변화가 관찰되었다.
• 확산 데이터의 아레니우스 피팅 결과, 고온에서 SrH6과 SrH22 모두에서 열적으로 활성화된 수소 이동이 확인되었다.