超导材料因在一定温度下呈现出零电阻及完全抗磁性，在电力运输、交通运输、信息传递、医疗技术和能源等多个领域具有广阔的应用前景，长期以来成为了物理学和材料学领域中重要的研究对象之一。富氢化物由于在较低压力下实现 H 的金属化被认为是高温超导的候选材料，但多数富氢化物并不具有很高的超导转变温度，这是由于结构中的 H₂ 分子单元限制了 H 对电声耦合的贡献，如何进一步提升富氢化物的超导转变温度是亟待解决的问题。

图1 （a）PbH₄ 和（b）Pb₂MH₁₂（M = In，Sn，Sb）的晶体结构，黑色、粉色和蓝色球体分别代表 Pb、H 和 M（M = In，Sn，Sb）原子。

图2 （a，e）PbH₄，（b，f）Pb₂InH₁₂，（c，g）Pb₂SnH₁₂ 和（d，h）Pb₂SbH₁₂ 在 （100）面（上面）和（001）面（下面）的电子局域函数

图3 （a）PbH₄，（b）Pb₂InH₁₂，（c）Pb₂SnH₁₂ 和（d）Pb₂SbH₁₂ 的声子色散曲线，声子态密度以及 Eliashberg 谱函数 α²F(ω) 和电声子积分 λ(ω)

针对以上问题，兰州交通大学功能新材料高压物性研究所采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对 250 GPa 压力下 In、Sn 和 Sb 合金化的 PbH₄ 的结构稳定性、电子结构和超导性质进行了研究。形成焓，弹性常数，声子谱的计算表明 PbH₄ 及其合金化结构均满足热力学、力学和动力学稳定性。并且 In，Sn，Sb 的合金化使得 PbH₄的超导性能得到了改善，超导转变温度由原来的 62 K 分别提高到 70 K、69 K 和 66 K；进一步通过对电子结构和电声耦合的分析，发现 In，Sn，Sb 的合金化使得 H 原子对费米能级处态密度的贡献增大，声子模式出现了软化，电声耦合强度增加，进而导致超导性质改善。该研究表明，在富氢化物加入较轻的元素可以有效地改善其超导性能，这将为进一步提升材料的超导转变温度提供了指导。

该成果的第一作者为兰州交通大学2020级硕士研究生李宁同学，指导老师为田俊红副教授和孙小伟教授，该成果被 Journal of Materials Science 杂志接收发表。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s10853-023-08264-2

Ning Li, Jun-Hong Tian*, Ting Song, Lie-Juan Li, Zi-Jiang Liu, Xiao-Wei Sun*. Enhanced superconducting transition temperature via alloying In, Sn and Sb in PbH₄ by using first-principles calculations Journal of Materials Science 58 (2023) 3996.