[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究采用从头算演化晶体结构搜索（USPEX）方法，绘制了高达100 GPa的完整SnxSy相图，预测了多种新的高压相，包括一种在高达100 GPa下稳定的金属相γ-SnS（Pm¯3m），其在40 GPa时具有9.6 K的超导转变温度Tc；以及一种新型Sn3S4相（I¯43d），在30 GPa时Tc达到21.8 K，揭示了压力下超导性的增强。

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.

研究动机与目标

• 探索SnxSy化合物在高达100 GPa下的完整组成与压力依赖相空间。
• 识别此前实验中未观测到的新稳定相和化学计量比。
• 研究预测的高压相的电子性质，特别是超导性。
• 构建SnxSy在常压和高压条件下的综合相图。

提出的方法

• 采用USPEX进行从头算演化结构搜索，以探索多种晶体结构。
• 使用密度泛函理论（DFT）结合PBE泛函及DFT+D3色散校正进行能量最小化。
• 计算生成焓以确定热力学稳定性，并在各压力下构建凸包图。
• 进行电子结构和电子-声子耦合计算，以预测超导转变温度（Tc）。
• 在多代演化中系统改变化学计量比、空间群、晶格参数和原子坐标。
• 将预测相与已知实验相进行对比，并利用凸包分析识别基态相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高达100 GPa的高压条件下，SnxSy存在哪些新相？
• RQ2 哪些SnxSy化合物在高压下具有热力学稳定性，其结构如何演变？
• RQ3 高压下的SnxSy相中是否存在超导性，若存在，其Tc值是多少？
• RQ4 压力如何诱导SnS和SnS2中的结构与电子相变？
• RQ5 能否在高压下稳定新型化学计量比如Sn3S4？

主要发现

• 具有Pm¯3m对称性的γ-SnS是一种新发现的高压金属相，在高达100 GPa下稳定。
• γ-SnS表现出超导性，其最大Tc为9.6 K（出现在40 GPa）。
• 具有I¯43d对称性的Sn3S4相预测在15 GPa以上稳定，并在30 GPa时呈现超导性，Tc为21.8 K。
• 常压下的SnS2相（P¯3m1）在30 GPa以下保持稳定，未发生相变。
• α-SnS（Pnma）相在9 GPa时转变为β-SnS（Cmcm）相，随后在40 GPa时转变为γ-SnS（Pm¯3m）相。
• 相图显示在凸包附近存在多个亚稳相，表明存在动力学稳定化的可能性。