[논문 리뷰] Decomposition Products of Phosphine Under Pressure: PH2 Stable and Superconducting?

Andrew Shamp, Tyson Terpstra외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 17.

Synthesis and characterization of novel inorganic/organometallic compounds인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고압(100–200 GPa) 조건에서 안정적이고 초전도성인 PH2 상을 도출하기 위해 진화 알고리즘 기반 결정 구조 예측과 DFT 계산을 사용한다. 실험적으로 207 GPa에서 관측된 인화수소(PH3)의 초전도성, 특히 103 K의 Tc는 PH3 자체가 아니라 분해 생성물인 PH2 등에 기인한 것으로 제안되며, 두 개의 동적으로 안정된 PH2 상이 각각 70 K와 76 K의 Tc를 예측하고 있다.

ABSTRACT

Evolutionary algorithms (EA) coupled with Density Functional Theory (DFT) calculations have been used to predict the most stable hydrides of phosphorous (PHn, n = 1-6) at 100, 150 and 200 GPa. At these pressures phosphine is unstable with respect to decomposition into the elemental phases, as well as PH2 and H2. Three metallic PH2 phases were found to be dynamically stable and superconducting between 100-200 GPa. One of these contains five formula units in the primitive cell and has C2/m symmetry (5FU-C2/m). It is comprised of 1D periodic PH3-PH-PH2-PH-PH3 oligomers. Two structurally related phases consisting of phosphorous atoms that are octahedrally coordinated by four phosphorous atoms in the equatorial positions and two hydrogen atoms in the axial positions (I4/mmm and 2FU-C2/m) were the most stable phases between ~160-200 GPa. Their superconducting critical temperatures (Tc) were computed as being 70 and 76 K, respectively, via the Allen-Dynes modified McMillan formula and using a value of 0.1 for the Coulomb pseudopotential, u*. Our results suggest that the superconductivity recently observed by Drozdov, Eremets and Troyan when phosphine was subject to pressures of 207 GPa in a diamond anvil cell may result from these, and other, decomposition products of phosphine.

연구 동기 및 목표

• 고압 조건에서 인 수소화합물(PHn, n=1–6)의 구조적 및 전자적 안정성을 조사하기 위해.
• 100–200 GPa 조건에서 PH2가 실현 가능한 안정한 상인지 확인하기 위해.
• Allen-Dynes 수정 McMillan 공식을 사용하여 예측된 PH2 상의 초전도성 특성을 평가하기 위해.
• 고압에서 관측된 높은 Tc(103 K)의 기원을 밝혀내기 위해, 이는 PH3 자체에 기인하지 않는다는 것을 확인하기 위해.
• 다이아몬드 압력 셀 실험에서 초전도성이 관측된 이유를 설명할 수 있는 인화수소의 분해 생성물을 규명하기 위해.

제안 방법

• 100, 150, 200 GPa 조건에서 PHn의 안정한 결정 구조를 예측하기 위해 DFT와 결합된 진화 알고리즘 XTALOPT를 사용하였다.
• 전자 구조 및 에너지 계산을 위해 PBE 기능과 PAW 방법을 사용한 DFT를 적용하였다.
• 100–200 GPa 압력 범위에서 기하학적 최적화 및 엔탈피 계산을 수행하였다.
• μ* = 0.1을 사용하여 Allen-Dynes 수정 McMillan 공식을 적용하여 초전도 전이 온도(Tc)를 계산하였다.
• 1 meV/atom 이내 수렴을 확보하기 위해 k-점 격자와 에너지 截단치를 설정하였다.
• 동적 안정성은 진동 분포 계산을 통해 확인되었으며(결과에서 '동적으로 안정된'으로 암시됨).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고압 조건에서 PH2는 안정한 상인가? 만약 그렇다면 그 결정 구조는 무엇인가?
• RQ2 PH2 상은 고압에서 초전도성을 나타낼 수 있는가? 그리고 그 예측된 Tc 값은 무엇인가?
• RQ3 고압에서 인화수소(PH3)의 분해 생성물이 207 GPa에서 관측된 실험적 Tc 103 K를 설명할 수 있는가?
• RQ4 100–200 GPa 범위에서 가장 안정적인 PH2 다형체는 무엇이며, 그 대칭성과 결합 모티프는 어떻게 다를까?
• RQ5 예측된 PH2의 초전도 특성은 원소 인과 다른 수소화합물과 비교해 어떻게 다를까?

주요 결과

• 100–200 GPa 범위에서 세 개의 금속성 PH2 상이 동적으로 안정하고 초전도성을 나타내는 것으로 확인되었다.
• 5FU-C2/m PH2 상은 C2/m 대칭을 가지며 1차원 주기적 PH3-PH-PH2-PH-PH3 올리고머로 구성되어 있다.
• I4/mmm 및 2FU-C2/m 두 상은 약 160–200 GPa 범위에서 가장 안정한 것으로 규명되었으며, 서로 유사한 구조적 특성을 지닌다.
• I4/mmm 및 2FU-C2/m PH2 상의 예측된 Tc 값은 각각 70 K와 76 K이며, μ* = 0.1 조건에서 Allen-Dynes 수정 McMillan 공식을 사용하여 도출되었다.
• 결과는 207 GPa에서 관측된 인화수소의 초전도성(Tc = 103 K)이 PH3 자체가 아니라 PH2와 같은 분해 생성물에 기인한 것으로 보이며, 이는 PH2의 새로운 안정 상이 기여한 결과임을 시사한다.
• 이 연구는 고압에서 인화수소의 고Tc 초전도성에 대한 이론적 설명을 제공하며, 이는 새로운 안정한 PH2 상과의 연관성을 규명한다.