Phase diagrams of high-pressure ternary systems

Abstract

Nos últimos anos, tem sido relatada supercondutividade a alta temperatura em vários sistemas ricos em hidrogénio sob alta pressão, sendo um dos mais recentes um composto do sistema ternário C-S-H. A temperatura crítica declarada foi de 15 ºC a 267 GPa. Um problema comum neste tipo de estudos é a dificuldade em determinar a estrutura cristalina dos materiais encontrados. Consequentemente, simulações computacionais têm mostrado ser muito úteis para auxiliar esses estudos a alta pressão. Nesta tese, procurámos novos compostos termodinamicamente estáveis nos sistemas ternários H-C-Se, H-Mg-Se e Li-C-S a alta pressão. Para obter as estruturas cristalinas de menor energia de cada estequiometria AxByCz, aplicámos o Minima Hopping Method (MHM) a esses sistemas ternários a uma pressão de 150GPa e a temperatura zero, restringindo-os a 3≤x≤7; 1≤y≤2; 1≤z≤2 e, se x≤5, x+y+z≤7. No total, identificámos 658 mínimos, que foram selecionados para cálculos mais precisos. Destes, 5 mostraram-se termodinamicamente estáveis (E_hull=0) com mais 5 próximos da estabilidade (abaixo de 50 meV/átomo), dos quais 5 são metálicos. Os 2 materiais metálicos termodinamicamente estáveis são ambos do sistema ternário H-Mg-Se: P-3m1-Mg2H3Se e Cmm2-MgH6Se. Os 3 materiais metálicos próximos da estabilidade são: Imm2-Mg2H3Se2, Immm-MgH4Se2 e C2/m-Li7CS, com uma distância ao convex hull de 28 meV/átomo, 35 meV/átomo e 28 meV/átomo, respectivamente. Materiais no sistema ternário H-C-Se foram todos encontrados acima de uma distância ao convex hull de 100 meV/átomo. Para os casos mais relevantes, também incluímos as estruturas de bandas eletrónicas e densidades de estados correspondentes.

In recent years, high temperature superconductivity has been reported in several Hydrogen-rich systems under high pressure, being one of the most recent ones a compound in the C-S-H ternary system. The claimed critical temperature was 15 ºC at 267 GPa. A common issue in this type of studies is the difficulty in determine the crystal structure of the materials found. Consequently, computational works have proved to be very useful helping these high pressure studies. In this thesis, we searched the H-C-Se, H-Mg-Se and Li-C-S ternary systems for new thermodynamically stable compounds at high-pressure. In order to obtain the lowest energy crystal structures of each AxByCz compositions, we applied the Minima Hopping Method (MHM) to those ternary systems at a pressure of 150 GPa and at zero temperature, limited by 3≤x≤7; 1≤y≤2; 1≤z≤2 e, se x≤5, x+y+z≤7. In total we identified 658 minima, which were selected for further, more accurate, calculations. From these, 5 were found to be thermodynamically stable (E_hull=0) with an extra 5 close to stability (under 50 meV/atom), out of which 5 are metallic materials. The 2 thermodynamically stable metallic materials are both from the H-Mg-Se ternary system: P-3m1-Mg2H3Se and Cmm2-MgH6Se. The 3 metallic materials close to stability are: Imm2-Mg2H3Se2, Immm-MgH4Se2 and C2/m-Li7CS, with a energy distance to the convex hull of 28 meV/atom, 35 meV/atom and 28 meV/atom, respectively. Materials in the H-C-Se ternary system were all found above an energy distance of 100 meV/atom to the convex hull. For the most relevant cases, we also include the correspondent electronic band structures and densities of states.