[論文レビュー] Ambient and high pressure phases of tin sulfide compounds

Joseph M. Gonzalez, Kien Nguyen-Cong+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、最初から原理的な進化的な結晶構造探索（USPEX）を用いて、100 GPaまでにわたる完全な SnxSy 相図をマップし、金属的で100 GPaまで安定な γ-SnS（Pm¯3m）や、40 GPaで Tc = 9.6 K の超伝導転移温度を示す新規の高圧相、および30 GPaで Tc = 21.8 K を示す新しい Sn3S4 相（I¯43d）を予測した。圧力下での超伝導性の増強が明らかになった。

ABSTRACT

Tin sulfides SnxSy are important class of materials that are actively investigated as novel photovoltaic and water splitting materials. First-principles evolutionary crystal structure search is performed with the goal of constructing the complete phase diagram of SnxSy and discover new phases as well as new compounds of varying stoichiometry at ambient conditions and pressures up to 100 GPa. The ambient phase of SnS2 with P3m1 symmetry remains stable up to 30 GPa. Another ambient phase, SnS experiences a series of phase transformations: including α-SnS to β-SnS at 9 GPa, followed by β-SnS to γ-SnS at 40 GPa. γ-SnS is a new high-pressure metallic phase with Pm3m space group symmetry stable up to 100 GPa, which becomes a superconductor with a maximum Tc= 9.6 K at 40 GPa. Another new metallic compound, Sn3S4 with I43d space group symmetry, is predicted to be stable at pressures above 15 GPa, which also becomes a superconductor with a maximum Tc=21.8 K at 30 GPa.

研究の動機と目的

• 100 GPaまでにわたる SnxSy 化合物の全組成および圧力依存の相空間を調査すること。
• これまでの実験で観察されていなかった、新たな安定相および化学 stoichiometry を同定すること。
• 予測された高圧相の電子的性質、特に超伝導性を調査すること。
• 常圧および高圧条件下での SnxSy の包括的な相図を構築すること。

提案手法

• USPEX を用いた最初から原理的な進化的構造探索により、多様な結晶構造を調査した。
• エネルギー最小化に密度汎関数理論（DFT）を用い、PBE汎関数と DFT+D3 分散補正を適用した。
• 各圧力における熱力学的安定性を評価し、凸包を構築するために生成エンタルピーを計算した。
• 電子構造および電子-格子励振子結合計算を実施し、超伝導転移温度（Tc）を予測した。
• 世代にわたって、組成比、空間群、格子定数、原子座標を体系的に変化させた。
• 既知の実験的相との整合性を検証し、凸包解析を用いて安定相（基底状態）を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 GPaまでの高圧下で、SnxSy の新たな相は存在するか？
• RQ2 どの SnxSy 化合物が高圧下で熱力学的に安定であり、構造はどのように変化するか？
• RQ3 高圧下の SnxSy 相のうち、超伝導性を示すものがあるか。その場合、Tc 値は何か？
• RQ4 圧力が SnS や SnS2 における構造的および電子的転移をどのように誘導するか？
• RQ5 Sn3S4 などの新しい化学 stoichiometry は高圧下で安定化可能か？

主な発見

• Pm¯3m 対称性を有する γ-SnS は、100 GPaまでにわたって安定な新規高圧金属相である。
• γ-SnS は超伝導性を示し、40 GPaで最大 Tc = 9.6 K を示す。
• I¯43d 対称性を有する Sn3S4 は15 GPa以上で安定であると予測され、30 GPaで Tc = 21.8 K の超伝導性を示す。
• 常圧の SnS2 相（P¯3m1）は30 GPaまで相転移を示さず安定である。
• α-SnS（Pnma）は9 GPaでβ-SnS（Cmcm）に転移し、40 GPaでγ-SnS（Pm¯3m）に転移する。
• 相図からは、凸包に近い多数の準安定相が存在することが判明し、動的安定化の可能性が示唆された。