Nové fázy a fázové prechody v kondenzovaných látkach

Abstrakt: 

V navrhovanom projekte budeme skúmať nové fázy vo vybraných tuholátkových systémoch a prechody medzi nimi, pričom sa zameriame na fázy charakterizované atomárnou a elektrónovou štruktúrou. Sústredíme sa najmä na správanie a vlastnosti chalkogenidov prechodných kovov pri extrémnych tlakoch nad 100 GPa, kde budeme skúmať možnosť existencie nových supravodivých fáz.

Odbor: 
Fyzika kondenzovaných látok
Vedecká časť: 

Pri hľadaní nových štruktúrnych a elektronických fáz sa zameriame na dichalkogenidy prechodných kovov (transition metal dichalcogenides TMD) so všeobecným chemickým vzorcom MX2, kde prechodný kov M = Ti, V, Nb, Ta, Mo, W a chalkogén X = S, Se, Te.
Vlastnosti tejto skupiny materiálov sú v súčasnosti predmetom značného záujmu. Pri normálnych podmienkach tieto zlúčeniny vytvárajú vrstevnaté štruktúry s atómami kovov kovalentne viazanými na atómy chalkogénov v oktahedrálnej alebo trigonálne prizmatickej koordinačnej geometrii a vykazujú pozoruhodne široké spektrum elektronických vlastností – izolant, polovodič, polokov, kov, fáza s vlnou nábojovej hustoty (charge density wave – CDW), excitonický izolant a supravodič. Tieto elektronické vlastnosti sa dajú ľahko modifikovať buď interkaláciou, kde sa dopujúce atómy ukladajú medzi rovinami, alebo pôsobením tlaku, ktorý môže vyvolať elektronický fázový prechod.

Väčšina existujúcich štúdií vplyvu tlaku na tieto materiály však doteraz bola obmedzená len na tlaky do rádu 10 GPa. V rámci tohto intervalu tlak indukuje elektronické prechody, avšak ešte nespôsobuje zásadnú zmenu vrstevnatej štruktúry. Keďže v súčasnosti je rutinne možné študovať štruktúrne a elektronické vlastnosti aj pri tlakoch nad 100 GPa a nízkych teplotách, je možné skúmať správanie týchto materiálov tiež v režime, v ktorom vrstevnatá štruktúra s najväčšou pravdepodobnosťou už prejde zásadnou zmenou. Pod vplyvom dostatočne vysokého tlaku je pravdepodobné, že sa budú vytvárať nevrstevnaté štruktúry, avšak pri stredne veľkých tlakoch prichádza do úvahy viacero scenárov. Transformácia môže prebiehať priamo, alebo jej môže predchádzať vznik deformovanej vrstevnatej fázy s inou koordináciou atómov prechodných kovov. Pri veľmi vysokých tlakoch nemožno vylúčiť ani možnosť chemickej dekompozície systému.

Cieľom je určiť vysokotlakové fázy dichalkogenidov prechodných kovov ako napr. TiS2, TiSe2, TaS2, TaSe2, NbS2, NbSe2, atď. až do tlakov cca 200 GPa a skúmať vývoj štruktúry (vrstevnatá resp. nevrstevnatá, prípadne dekompozícia) a elektronických vlastností (prechod do kovového stavu) s narastajúcim tlakom. Okrem detailnej analýzy elektronickej štruktúry budeme pre nájdené kovové fázy počítať tiež elektrón-fonónovú interakciu  s cieľom identifikovať kandidátov na možnú BCS supravodivosť.

Zodpovedný riešiteľ nedávno skúmal správanie niektorých materiálov z tejto skupiny založených na Mo, konkrétne MoS2, MoSe2 a MoTe2, pri vysokom tlaku a niekoľko výsledkov už bolo publikovaných. V prácach [Hromadova2013, Riflikova2014] bolo ukázané, že v MoS2 nastáva pri tlaku 20 GPa štruktúrny prechod, pri ktorom dochádza k posúvaniu rovín, zatiaľ čo v MoSe2 a MoTe2 tento prechod nenastáva. Vo všetkých troch materiáloch medzi tlakmi 10 a 30 GPa dochádza k prechodu typu polovodič-polokov. Tieto naše teoretické výsledky boli úspešne experimentálne overené v prácach [Chi2014, Zhao2015]. Člen riešiteľského kolektívu Oto Kohulák skúmal vo svojej diplomovej práci [Kohulak2014] správanie MoS2 and MoSe2 pri extrémnych tlakoch nad 100 GPa pomocou genetických algoritmov. V MoS2 bol nájdený prechod do novej kovovej a supravodivej tetragonálnej nevrstevnatej fázy, ktorému konkuruje chemický rozklad na MoS + S [Kohulak2015]. V rámci projektu sa zameriame na rozšírenie tejto štúdie na ďalšie zlúčeniny zo skupiny TMD, ktoré nie sú založené na Mo.

[Hromadova2013] L. Hromadová, R. Martoňák, and E. Tosatti, Phys. Rev. B 87, 144105 (2013).
[Riflikova2014] M. Rifliková, R. Martoňák, and E. Tosatti, Phys. Rev. B 90, 035108 (2014)
[Kohulak2015] Oto Kohulák, Roman Martoňák, and Erio Tosatti, Phys. Rev. B 91, 144113 (2015)

Socioekonomický a technologický dopad: 

Projekt má charakter základného výskumu a praktické využitie získaných poznatkov je pravdepodobné až v dlhšom časovom horizonte.

Technická časť: 

Pre určenie vysokotlakových fáz plánujeme použiť genetické algoritmy implementované vo voľne dostupnom balíku XtalOpt. Ab initio výpočty budú vykonané pomocou balíkov VASP, Quantum Espresso a Wien2K. Na výpočet elektrón-fonónových interakcií potrebných na určenie teploty supravodivého prechodu bude použitý balík Quantum Espresso alebo EPW. Všetky spomínané ab initio kódy sú efektívne paralelizované.

Presné nároky na strojový čas v prípade hľadania nových kryštálových štruktúr pomocou genetických algoritmov je ťažké odhadnúť. Hľadanie kryštálových štruktúr je vo všeobecnosti značne náročné na strojový čas, a to najmä v prípade zložitejších štruktúr s vyšším počtom atómov v jednotkovej bunke. Výpočet elektrón-fonónových interakcií je taktiež značne náročný na strojový čas, pričom pre každú nájdenú kovovú fázu bude potrebné tento vykonať pri viacerých tlakoch. Na základe existujúcich skúseností predpokladáme využitie 4 nódov na aureli počas 6 mesiacov riešenia projektu v r. 2016, čo predstavuje 565156 core-hodín.

Prepojenie s grantovými úlohami: 
APVV-15-0496 Projekt je financovaný v rámci VV 2015.
Spolufinancovanie: 
3 617.00
Výstupy: 
Creating new layered structures at high pressures: SiS2 Dušan Plašienka, Roman Martoňák & Erio Tosatti Scientific Reports | 6:37694 | DOI: 10.1038/srep37694 http://www.nature.com/articles/srep37694
New high-pressure phases of MoSe2 and MoTe2 Oto Kohulák and Roman Martoňák Phys. Rev. B 95, 054105 (2017)
High-pressure phase diagram, structural transitions, and persistent nonmetallicity of BaBiO3: Theory and experiment Roman Martonak, Davide Ceresoli, Tomoko Kagayama, Yusuke Matsuda, Yuh Yamada, and Erio Tosatti PHYSICAL REVIEW MATERIALS, 1, 023601 (2017)
Ab initio molecular dynamics study of the structural and electronic transition in VO2 Dušan Plašienka, Roman Martoňák and Marcus C. Newton PHYSICAL REVIEW B 96, 054111 (2017)
Synthesis and Raman spectroscopy of a layered SiS2 phase at high pressures Yu Wang, Shu-Qing Jiang, Alexander F. Goncharov, Federico A. Gorelli, Xiao-Jia Chen, Dušan Plašienka, Roman Martoňák, Erio Tosatti, and Mario Santoro THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 148, 014503 (2018)
Quantum and classical ripples in graphene Juraj Hašík, Erio Tosatti, and Roman Martoňák Phys. Rev. B 97, 140301(R) (2018)
Structural evolution of amorphous polymeric nitrogen from ab initio molecular dynamics simulations and evolutionary search Dominika Melicherová, Oto Kohulák, Dušan Plašienka, and Roman Martoňák Phys. Rev. Mat. 2, 103601 (2018)
Pressure-induced amorphization and existence of molecular and polymeric amorphous forms in dense SO2 Huichao Zhang, Ondrej Tóth, Xiao-Di Liu, Roberto Bini, Eugene Gregoryanz, Philip Dalladay-Simpson, Simone De Panfilis, Mario Santoro, Federico Aiace Gorelli, and Roman Martoňák, PNAS (2020) https://doi.org/10.1073/pnas.1917749117
High-Pressure Structural Evolution of Disordered Polymeric CS2 Jinwei Yan, Ondrej Tóth, Wan Xu, Xiao-Di Liu, Eugene Gregoryanz, Philip Dalladay-Simpson, Zeming Qi, Shiyu Xie, Federico Gorelli, Roman Martoňák, and Mario Santoro, J. Phys. Chem. Lett. 2021, 12, 7229−7235