[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究证明，将分子氢掺杂4 at.%的锶可使金属化压力降至约200 GPa，显著低于纯氢所需的400+ GPa。通过高温高压合成与阻抗谱学方法，作者识别出P1-SrH22——一种具有四面体锶子晶格的氢化物，其氢含量（每锶原子22个氢）为迄今观测到的最高值，该物质表现为分子半导体，并作为氢金属化的模型体系。

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.

研究动机与目标

• 探究锶掺杂是否可降低氢金属化的压力要求。
• 识别并表征在极端条件下形成的新型高压Sr–H聚氢化物。
• 研究SrH6和SrH22的电子与离子输运特性，作为氢金属化的模型。
• 为研究分子氢向金属氢转变提供可行的实验平台。

提出的方法

• 在56–180 GPa和300–600 K条件下，于金刚石对顶砧中合成Sr–H化合物。
• 使用USPEX代码进行结构预测，以识别Sr–H体系中的稳定相。
• 在金刚石对顶砧中进行阻抗谱学测量，以测定电学性质并估算带隙和扩散系数。
• 采用第一性原理分子动力学模拟（VASP，PBE GGA）和机器学习原子间势（MLIP）计算氢扩散。
• 分析阻抗谱学的奈奎斯特图，提取等效电路参数（R1, C1, R2, CPE），并评估光电导效应。
• 利用阿伦尼乌斯方程，基于均方位移（MSD）数据建模温度依赖的扩散系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 锶掺杂能否使氢的金属化压力降低至400 GPa以下？
• RQ2 在56–180 GPa条件下，形成哪些新型高压Sr–H化合物，其晶体结构为何？
• RQ3 P1-SrH6在150 GPa下的直接带隙为多少，其在何种压力下发生金属化？
• RQ4 SrH6和SrH22中氢的扩散系数如何随温度和压力变化？
• RQ5 光照射在多大程度上影响SrH6的电响应？

主要发现

• 在140 GPa下合成出P1-SrH22，一种每锶原子含22个氢的四面体氢化物，呈现黄色并表现出半导体行为。
• P1-SrH6在150 GPa下的直接带隙估算为0.44–0.51 eV，金属化发生在约220 GPa。
• 在500–600 K下测得氢扩散系数：SrH6为1–2.8×10⁻¹⁰ m²/s，P1-SrH22为1.2–2.1×10⁻⁹ m²/s。
• 在532 nm激光照射下，SrH6的光电导效应导致电极过程中的电阻增加，表明光致载流子生成。
• 通过Bader电荷追踪的结构与电荷分析显示，热扩散模拟后原子电荷变化极小。
• 扩散数据的阿伦尼乌斯拟合证实了在高温下，SrH6和SrH22中氢的输运为热激活过程。