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Spiral chain O4 form of dense oxygen

唐唐添加于 2012-2-29 21:15 | 1801 次阅读 | 0 个评论

作者
Zhu L, Wang Z, Wang Y, Zou G, Mao H-k., Ma Y
摘要
Oxygen is in many ways a unique element: It is the only known diatomic molecular magnet, and it exhibits an unusual O8 cluster in its high-pressure solid phase. Pressure-induced molecular dissociation as one of the fundamental problems in physical sciences has been reported from theoretical or experimental studies of diatomic solids H2, N2, F2, Cl2, Br2, and I2 but remains elusive for molecular oxygen. We report here the prediction of the dissociation of molecular oxygen into a polymeric spiral chain O4 structure (space group I41/acd, θ-O4) above 1.92-TPa pressure using the particle-swarm search method. The θ-O4 phase has a similar structure as the high-pressure phase III of sulfur. The molecular bonding in the insulating ε-O8 phase or the isostructural superconducting ζ-O8 phase remains remarkably stable over a large pressure range of 0.008–1.92 TPa. The pressure-induced softening of a transverse acoustic phonon mode at the zone boundary V point of O8 phase might be the ultimate driving force for the formation of θ-O4. Stabilization of θ-O4 turns oxygen from a superconductor into an insulator by opening a wide band gap (approximately 5.9 eV) that originates from the sp3-like hybridized orbitals of oxygen and the localization of valence electrons.
详细资料
- 文献种类: Journal Article
- 期刊名称: Proceedings of the National Academy of Sciences
- 期刊缩写: Proceedings of the National Academy of Sciences
- 期卷页: 2012年第109卷第3期 751-753页
- ISBN: 0027-8424
学科领域工程技术 » 管理学
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螺旋链状氧为宽带隙绝缘体

氧是地壳里含量最多的元素，人类要依赖氧气来生存。氧还具有很多奇异的物理特性。比如，常压下固态氧是唯一已知的双原子分子磁体；另外，固态氧在大于8万大气压下转变为令人意想不到的O₈团蔟形态，而且在100万大气压下竟然转变为了超导体。最近，吉林大学超硬材料实验室马琰铭教授的研究成果又为氧添加了新的色彩。

作为物理和化学研究领域的长期主题，压力导致的双原子分子固体(比如H₂, N₂, O₂, Br₂, I₂)的分子解离一直是科学家们关注的焦点。在500万大气压的压力范围内，实验或理论研究先后报道了双原子固体H₂, N₂, Br₂, I₂的分子解离，唯独固态氧却一直保持分子形态。因此，固态氧是否会发生压致分子解离一直是高压领域关注的焦点问题。

最近，吉林大学马琰铭教授研究组利用自主发展的卡利普索 (CALYPSO) 晶体结构预测方法(http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/~calypso.html)与美国地球物理实验室毛河光教授合作，理论预言固态氧在超高压力下(大于1900万大气压) 发生了分子解离，形成了聚合状的螺旋链O₄结构。这种螺旋链状O₄结构是氧的第一个单原子相，和单质硫的高压结构S₄非常相似。进一步研究发现，螺旋链状氧竟然是一个宽带隙（带隙宽度约为5.9 eV）绝缘体。研究成果发表在2012年1月17号出版的美国《国家科学院院刊》上。

Chemical & Engineering News网站以“Another Form Of Oxygen”为题对本工作进行了亮点报道，并采访了著名高压物理学家，英国爱丁堡大学 McMahon 教授。McMahon 教授评论说，“传统的高压理论认为，在高压条件下材料的金属性会加强，但是本文的理论预言却表明，在超高压力下材料也会从金属转变为绝缘体”。

该工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金的资助。（来源：吉林大学超硬材料国家重点实验室）