【摘要】：凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論預(yù)測(cè)是材料、物理和化學(xué)等學(xué)科長(zhǎng)期關(guān)注的挑戰(zhàn)性課題.論文作者和課題組其他成員合作，基于粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法,引入結(jié)構(gòu)表征的成鍵特征矩陣,提出并發(fā)展了卡里普索(CALYPSO)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法,編制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)軟件,現(xiàn)已成為國(guó)際結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)領(lǐng)域的重要方法和工具.在此基礎(chǔ)上,論文對(duì)材料和行星科學(xué)的典型體系進(jìn)行了示范性的研究,獲得了如下創(chuàng)新性結(jié)果: 1.三碲化二鉍(Bi2Te3)在常壓下是一種性能優(yōu)良的熱電材料，也是一種典型的拓?fù)浣^緣體，其研究備受關(guān)注.自1972年以來(lái),實(shí)驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)Bi2Te3在高壓下存在兩個(gè)結(jié)構(gòu)相變，并伴隨著超導(dǎo)電性的出現(xiàn).對(duì)超導(dǎo)電性產(chǎn)生根源的理解，必須弄清高壓新相的結(jié)構(gòu).論文利用自主發(fā)展的CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法預(yù)言Bi2Te3的兩個(gè)高壓相是分別具有7配位鉍和8配位鉍的單斜結(jié)構(gòu)，并得到了高壓X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，研究工作解決了困擾近40年的Bi2Te3高壓結(jié)構(gòu)的難題.同時(shí)在14.4萬(wàn)大氣壓以上,論文發(fā)現(xiàn)Bi2Te3竟然轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)具有無(wú)序體心立方結(jié)構(gòu)的Bi- Te替代合金. 2.作為物理、化學(xué)以及行星科學(xué)研究領(lǐng)域的長(zhǎng)期主題，雙原子分子固體的壓致分子解離是人們長(zhǎng)期關(guān)注的主題.論文利用CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法,首次在1900萬(wàn)大氣壓下從理論上實(shí)現(xiàn)了固態(tài)氧的雙原子分子解離，固態(tài)氧轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪湢畹脑酉嘟Y(jié)構(gòu).令人意外的是，固態(tài)氧的分子解離導(dǎo)致了固態(tài)氧從金屬相到絕緣相的轉(zhuǎn)變,違背了高壓金屬化的傳統(tǒng)理念. 3.研究表明,在地球大氣層中90%的氙氣(Xe)不知去向,這就是行星學(xué)中著名的“Missing Xe Paradox”，即“氙氣消失之謎”.人們普遍認(rèn)為Xe存儲(chǔ)在地球內(nèi)部，但存在的位置和形態(tài)是地學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期爭(zhēng)議的課題.1997年《科學(xué)》期刊發(fā)表了理論和實(shí)驗(yàn)合作論文，認(rèn)為Xe和鐵（地核的主要構(gòu)成元素）無(wú)法反應(yīng)形成穩(wěn)定的化合物，排除了Xe存儲(chǔ)在地核內(nèi)部的可能性.論文利用CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，首次從理論上提出Xe可以與鐵和鎳在地核的壓力和溫度條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一系列穩(wěn)定的化合物(例如, XeFe3, XeFe5, XeNi3, XeNi5等等).論文研究結(jié)果推翻了前期Xe和鐵無(wú)法反應(yīng)的論斷,認(rèn)為地核可以是氙氣的藏身之所,很可能為“氙氣消失之謎”提供了答案. 4.地球內(nèi)部的地核是由85%的鐵元素，，5%的鎳元素和10%的輕質(zhì)元素構(gòu)成，氧也是地核中主要存在的輕質(zhì)元素之一.長(zhǎng)期以來(lái),人們普遍認(rèn)為在內(nèi)地核中穩(wěn)定存在的鐵氧化合物為FeO.然而,在內(nèi)地核的環(huán)境下,鐵氧化合物究竟以什么形式存在仍然有待探索.我們利用CALYPSO結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法研究了元素氧在內(nèi)地核的富鐵環(huán)境中可能的存在形式.研究發(fā)現(xiàn)在內(nèi)地核中穩(wěn)定存在的鐵氧化合物并不是普遍認(rèn)為的FeO,而應(yīng)該是Fe3O.此研究工作為人們理解地球內(nèi)核的結(jié)構(gòu)提供了重要的理論依據(jù).
[Abstract]:The theoretical prediction of condensed matter structure is a challenging subject in materials, physics and chemistry. Based on particle swarm optimization (PSO), the author and other members of the research group proposed and developed the Carripsos (CALYPSO) structure prediction method by introducing the bond-forming characteristic matrix of structural representation. The CALYPSO structure prediction software with independent intellectual property rights has been developed and has become an important method and tool in the field of international structure prediction. On this basis, the typical systems of materials and planetary science are studied in this paper, and the following innovative results are obtained: 1. Bismuth tritelluride (Bi2Te3) is a kind of excellent thermoelectric material and a typical topological insulator under atmospheric pressure. Since 1972, it has been found that there are two structural phase transitions in Bi2Te3 at high pressure, accompanied by the appearance of superconductivity. To understand the origin of superconductivity, it is necessary to understand the structure of the new phase at high voltage. In this paper, the independently developed CALYPSO structure prediction method is used to predict that the two high pressure phases of Bi2Te3 are monoclinic structures with 7 coordinated bismuth and 8 coordinated bismuth, respectively, and confirmed by high pressure X-ray diffraction experiments. The research work has solved the difficult problem of Bi2Te3 high pressure structure which has been puzzling for nearly 40 years. At more than 144000 atmospheres, it is found that Bi2Te3 is transformed into a Bi- Te substitute alloy with disordered body-centered cubic structure. 2. As a long-term topic in physics, chemistry and planetary science, the decompression molecular dissociation of diatomic molecular solids has long been the focus of attention. In this paper, the diatomic molecular dissociation of solid oxygen is theoretically realized at 19 million atmospheres by using CALYPSO structure prediction method, and the solid oxygen is transformed into a spiral chain atomic phase structure. Surprisingly, the molecular dissociation of solid oxygen leads to the transition of solid oxygen from metal to insulating phase, contrary to the traditional idea of high pressure metallization. 3. The study shows that 90% of the xenon (Xe) is missing in the Earth's atmosphere, which is known as "Missing Xe Paradox" in planetary science, or "the enigma of the disappearance of xenon". It is generally believed that Xe is stored in the interior of the earth, but the location and shape of the existence is a subject of long controversy in the field of geoscience. It is considered that Xe and iron (the main elements in the core) cannot react to form stable compounds, which excludes the possibility of Xe stored in the core. By using CALYPSO structure prediction method, it is proposed that Xe can react with iron and nickel at the pressure and temperature in the core for the first time to form a series of stable compounds (for example, XeFe3, XeFe5, XeNi3, XeNi5, etc.). The results of this paper refute the previous conclusion that Xe and iron cannot react, and that the core can be a hiding place for xenon, which may provide an answer to the mystery of the disappearance of xenon. 4. The core of the earth is composed of 85% of iron, 5% of nickel and 10% of light elements. Oxygen is also one of the main light elements in the core. For a long time, it has been widely believed that ferrite compounds that exist stably in inland nuclei are FeO. However, the form in which ferrite compounds exist in the inland nuclear environment remains to be explored. We have studied the possible forms of elemental oxygen in iron-rich environments in inland nuclei by using CALYPSO structure prediction method. The study found that ferrite compounds stably present in inland nuclei are not generally considered FeO, but should be Fe3O. This work provides an important theoretical basis for people to understand the structure of the earth's core.
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：O521.2

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本文編號(hào)：2296879