FeO2与FeO2He 晶格热导率与声速特征的第一性原理研究

吴 潇，马阳阳，杨 述，何开华，姬广富

（1.中国地质大学（武汉）数学与物理学院，湖北 武汉 430074；2.中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理重点实验室，四川 绵阳 621999）

在地球内部温度压力条件下，铁能形成多种形式的氧化物[1–5]。最近的高温高压实验研究[6–7]发现了一种新型铁氧化物FeO2，它可以通过Fe2O3与O2在高温高压下反应形成（75 GPa、1600 K），并且在核幔边界仍然能够稳定存在，可以在下地幔累积形成丰富的储氧层[6–7]。X 射线衍射（XRD）测量以及理论计算表明，FeO2具有黄铁矿FeS2的结构，其Fe―O键及O―O键键长分别为1.792Å和1.937Å。其中，O―O键长比氧气分子中的O―O键长（1.21Å）更长，特殊的键长使得FeO2具有一些特殊的物理性质。研究人员通过第一性原理计算了高温高压下FeO2的相图、电子结构和弹性性质，揭示了FeO2在D"层条件下具有较低的地震波速，符合该区域超低声速区的特征[8–10]。

研究表明，在下地幔中有He的存在，并且确定He可以在高温高压环境下与水、铁以及离子化合物等发生反应[11–14]，但仍然无法确定He 是以何种形式存在于地球深部[15–17]。有学者通过结构搜索发现He可以与FeO2在高温高压下反应形成稳定的FeO2He[18]。FeO2He 的结构具有立方特征，其中He和O原子构成反萤石结构，Fe原子分布在六面体的顶点和面上，Fe―O键的键长大约为1.87Å，O―Fe―O的键角为70.53°。计算表明，FeO2He 是第一个可以在核幔边界稳定存在的含He 化合物，它的稳定存在为地球深部He库的存在提供了一种合理的解释。

新矿物的物理性质对地球物理模型的建立至关重要。有学者系统地研究了FeO2与FeO2He 的相图、电子结构、弹性性质及热力学稳定性等物理性质，并得到了很有意义的结果[19–22]。……