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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

外尔半金属是一类其低能激发可以用粒子物理中的外尔（weyl）方程来描述的半金属性质化合物，多为砷和磷的二元化合物，其能带有和拓扑绝缘体一样的拓扑非平庸性质，最主要的特点是表面能带结构和内部大不相同导致表面导电性异于内部，且平常的微扰不会改变这一特性。作为外尔半金属类中的重要一员，nbas2在实验上被观测到巨磁阻现象，引起了广泛的科研关注和相关研究者的强烈兴趣。为了更好地认识nbas2这一类的外尔半金属在高压下的演变和性质，同时由于受限于实验条件（无法真正地达到极端高压），我们利用第一性原理模拟nbas2在高压下的结构演化，如果新相可以在常压下稳定存在，则可以在常压环境下对其进行各类研究和应用，很有可能会因此得到新一类性能非常优异的材料。对nbas2在高压下的结构演化的模拟是对大学四年所学的理论和实践能力的最好检验，也会让我们对固体物理中的相变有更加直观和详细的认识。课题所用知识（如第一性原理）和软件（如materials studio）都已在本科课程中涉及，这也一定程度上减轻了论文工作的压力，并能很好地将理论和实践相结合，初步了解linux操作系统，了解粒子群优化算法下的结构模拟和预测。鉴于外尔半金属奇妙的性质和科研价值，这一工作不仅填补了nbas高压结构未知的空白，为我以后的工作研究提供经验，同时也为这一领域将来的理论和实验工作奠定了理论基础。这一类外尔半金属中的基本粒子（如狄拉克费米子、外尔费米子）的研究在凝聚态物理、材料科学、电子，光电子和量子计算等邻域具有重要的科学价值和意义。

国内外研究现状

查阅国内外文献可知，外尔半金属是由被拓扑表面态激发形成的具有确定手性（低能电子激发）的外尔费米子和费米弧集合形成的晶体。它们是拓扑绝缘体之外新发现的一类拓扑非平凡材料。已知外尔半金属虽然没有像拓扑绝缘体那样的能隙，但是仍然具有拓扑非平庸行为。nbas一类的外尔半金属的高压相研究已有相关进展。经查阅与nbas相关的论文文献，可知在高压环境下随着压力在0-200gpa范围的逐渐增大，nbas在23gpa时由i41md转变为有p-6m2对称性的新相，在38gpa时转变为具有空间群p21 / c的单斜晶结构的新相(非外尔半金属)，在73gpa转变为pm-3m阶段（非外尔半金属）；nbp在63.5gpa时由i41md转变为具有cmcm对称性的新相,发生单相转变；而tap的晶体结构在67gpa时由i41md (α-phase) 转变为pmmn (β-phase)，在90gpa时转变为 p21/c (γ-phase)，最后在125gpa时转变为pm-3m (δ-phase)；taas发生i41md→p/6m2→p21/c的三相转变。它们的相变都同时伴随着体积的变化，均为一级相变。

2. 研究的基本内容

NbAs2作为二元砷化物，是最早被发现的外尔半金属之一，引起了广泛的科研关注和相关研究者的强烈兴趣。在充分了解NbAs2的各项性质和参数后，我们将从第一性原理出发，利用软件模拟和预测NbAs2数个高压相结构，并预测其动态稳定性以及能态结构和物理特性。在高达0-200GPa的压力下，我们利用粒子群优化算法在一个晶胞里构建2-4个NbAs2分子式，产生大量的结构数据库，从中筛选能量最低，热力学最稳定的结构，对其进一步进行动力学稳定测试，确定高压新相的晶体结构、晶胞各边边长和键角，分析相变的类型和相变对晶胞和晶体群产生的影响。在晶胞各项参数被确定后，我们进行比较分析，探寻在整个加压过程中晶胞参数的改变以及性质的改变。同时进行对比预测的，还有同类物质NbP2、TaAs2和TaP2。我们在高压相结构生成后进行电子能态结构的计算并利用oringinlab pro绘制能态结构图，以探究新相的各类性质以及和常压相的电子结构区别。然后再利用声子色散评估动态稳定性，我们同样利用oringinlab绘制声子色散图。如果在整个布里渊区域的每个稳定压力范围内都没有发现假想的声子频率，则新相稳定；如果常压下声子频率为正，则新相在常压下可以存在。如果新相可以在常压下稳定存在，则可以在常压环境下对其进行各类性质的检测和研究。在讨论NbAs2的性质时，NbP2、TaAs2和TaP2作为同类外尔半金属进行对比研究，以看出它们的异同点。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

选题和阅读论文等工作在11月份陆续完成，12月份开始完成开题报告，然后学习专业软件和操作系统的使用以便进行软件模拟和数据处理，包括Oringin pro、Materials studio以及Linux系统下的VASP等软件（实验实施主要是在Linux系统下进行),并学会论文的检索与翻译，了解论文课题目前的国内外研究状况，完成论文的前言和简介。在寒假假期开始着手实验模拟和论文工作，详细学习第一性原理和粒子群优化预测方法论文，对照他人实验工作成果查漏补缺。数据处理作图则同步进行。根据进度安排，目前已完成选题、开题报告等工作，且已获得大部分实验数据和结论，软件模拟和预测实验开展较为顺利，论文前期的准备工作全部完成。

4. 参考文献

[1]g. peramaiyan, raman sankar, i. panneer muthuselvam wei-li lee. anisotropic magnetotransport and extremely large magnetoresistance in nbas2 single crystals[j]. scientific reports(2018) 8:6414.

[2]jingyun zhang , qingfang li , cuihong yang , weifeng rao. evolution of atomic and electronic structures of tap under high pressure[j]. computational materials science 142 (2018) 320–324.

[3]bing shen, xiaoyu deng, gabriel kotliar, and ni ni. fermi surface topology and negative longitudinal magnetoresistance observed in the semimetal nbas2[j]. physical review b 93, 195119 (2016).