文章目录

内容提要

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 高压科学的发展与意义

1.2 高压晶体结构研究

1.3 论文选题目的和意义

第二章 理论计算及高压实验方法

2.1 密度泛函理论

    2.1.1 绝热近似

    2.1.2 Hartree-Fock近似

    2.1.3 Hohenberg-Kohn定理

    2.1.4 Kohn-Sham方程

    2.1.5 交换关联泛函

    2.1.6 赝势方法

2.2 晶体结构预测

    2.2.1 粒子群优化算法(PSO)

    2.2.2 CALYPSO晶体预测软件

2.3 高压实验技术

    2.3.1 DAC高压实验装置

    2.3.2 同步辐射X射线衍射技术

    2.3.3 高压拉曼实验技术

第三章 新型过氧化氢高压结构和物性研究

3.1 背景介绍

3.2 计算细节

3.3 结果与讨论

    3.3.1 富氧H-O化合物的热力学稳定性

    3.3.2 H_2O_2在行星内部的存在形式及电子性质

3.4 本章结论

第四章 二氧化钡的高压结构和物性研究

4.1 背景介绍

4.2 计算和实验细节

4.3 结果与讨论

    4.3.1 BaO_2的高压结构特征及稳定性分析

    4.3.2 BaO_2的高压实验研究

    4.3.3 BaO_2的高压电子性质

    4.3.4 其他碱土金属过氧化物高压结构

4.4 本章结论

第五章 碱金属臭氧化物的高压研究

5.1 背景介绍

5.2 计算细节

5.3 结果与讨论

    5.3.1 NaO_3的高压晶体预测及结构稳定性分析

    5.3.2 NaO_3的高压电子性质

    5.3.3 其他碱金属臭氧化物的高压结构

5.4 本章结论

第六章 结论与展望

参考文献

作者简介及科研成果

致谢

文章摘要:压强作为一个重要的热力学变量,可以有效改变物质结构和成键方式,诱导产生一些常压下无法稳定的晶体结构,这些新结构为寻找具有新奇物理和化学性质的材料提供了新的选择。根据天体物理模型,氧元素广泛存在于行星内部,是一种具有强化学活性的元素,几乎可以与任何元素发生化学反应,形成新的化合物。众所周知,行星内部处于一个极端的高压条件,因此,研究氧化物在高压条件下的结构和性质对于理解行星的组成具有重要的科学意义。本论文采用课题组自主研发的CALYPSO结构预测方法结合高压实验,对几种典型的氧化物在高压下的结构和性质开展系统而深入的研究,获得了如下创新性成果:1.氢和氧作为两种重要的行星元素,在常压下一般以H2O（冰）形式广泛存在于自然界中。在高压富氧条件下,氢和氧是否会以新的物质形式存在是一个极为重要的课题。本论文通过CALYPSO结构预测方法结合第一性原理计算,预言了在超高压条件下（423-600GPa）,氢和氧可以形成稳定的富氧化合物H2O2。尤其值得注意的是,与H2O在高压下形成的氢键对称化相不同,H2O2结构是由平面H2O2分子堆垛而成,在超高压下仍具有分子晶体结构的特征。这些研究为进一步探寻氢-氧化合物在行星内部的稳定形式提供新思路。2.碱土金属过氧化物作为典型含有聚阴离子的离子化合物,研究其在高压下的结构和性质,为理解具有AO2型离子化合物的高压行为提供了一个原型。本论文选取典型碱土金属过氧化物BaO2,采用CALYPSO结构预测方法结合第一性原理计算,预言了 BaO2从低压正交结构（Cmmm）转变到具有单斜结构（C2/m）的高压相,但尚缺乏实验依据。因此,本文进一步开展的X射线衍射图谱和拉曼实验,观测到理论预言的新结构,为进一步研究其它AO2型离子化合物提供了参考。3.碱金属臭氧化物作为一种强氧化剂,常压条件下极易分解。为了探索其在高压下的稳定性,本论文选取了典型的碱金属臭氧化物NaO3,采用CALYPSO结构预测方法预言了 NaO3的新正交结构（Immm）,该结构中包含两种不同O2单元,结果表明臭氧化钠化合物在高压下可以稳定存在,为探寻其它碱金属氧化物提供了新途径。

文章关键词:

论文DOI:10.27162/d.cnki.gjlin.2021.007204

论文分类号:O611