常温高压条件下硬石膏相变的原位拉曼光谱研究

硬石膏（CaSO₄）是地球上分布最广的硫酸盐矿物之一,为研究硬石膏向高压硬石膏转变的压力条件和相变机理、确定硬石膏拉曼光谱压标的适用范围,实验结合水热金刚石压腔和激光拉曼光谱实验技术,研究了常温高压条件下硬石膏的相变过程以及硬石膏和高压硬石膏的拉曼光谱特征。实验结果显示,常温条件下硬石膏向高压硬石膏发生相变的压力在2.3 GPa左右,但是该相变压力在增压和降压过程中存在较大差异,表明硬石膏与高压硬石膏的转变过程存在明显滞后性,证实了该相变过程属于重建型相变。由于重建型相变的控制因素除了温度和压力之外,还包括相变的速率以及矿物结构的亚稳定性等,从而很好地解释了不同实验者获得的硬石膏与高压硬石膏的相变压力之间存在的巨大差异。与硬石膏相比,高压硬石膏的拉曼光谱特征表现为SO₄对称伸缩振动（ν₁）从1 128.28 cm-1突然下降至1 024.39 cm-1,同时对称弯曲振动（ν₂）分裂为441,459和494 cm-1三个峰,反对称伸缩振动（ν₃）分裂为1 136,1 148,1 158和1 173 cm-1四个峰,反对称弯曲振动（ν₄）也分裂为598,616,646和671 cm-1四个峰,可以作为判定硬石膏进入高压相态的有效标志。与硬石膏相比,高压硬石膏SO₄振动产生的拉曼峰数量更多、强度更低,表明影响SO₄振动的原子更多、分布更加复杂,这与高压硬石膏晶体结构（独居石结构,单斜晶系）的对称性比硬石膏（斜方晶系）更低相吻合。在硬石膏结构稳定的压力范围内（常压至2.3 GPa）,硬石膏SO₄拉曼振动中除了ν_2,416的振动频率变化不显著以外,其余振动均随着压力的升高以稳定的速率向高波数方向移动,同时谱峰的强度、形态和半高宽没有明显改变,从而保证了不同压力下硬石膏的拉曼峰具有一致的拟合误差和压力标定精度。同时,还通过方解石ν_{1,1 085}拉曼峰随压力的变化速率、方解石向CaCO₃-Ⅱ以及CaCO₃-Ⅱ向CaCO₃-Ⅲ的相变压力对硬石膏压力标定结果进行检验,确定了硬石膏压标的可靠性。     

NaNbO_3的高压拉曼光谱研究

钙钛矿氧化物NaNbO_3是一种极具应用前景的环保型压电材料,为此科研人员已经对其进行了大量的科学研究。近年来, NaNbO_3高压结构相变的研究有很多,但是2 GPa附近和12 GPa以上的结构相变序列和晶体结构依旧存在很多争议。前人利用拉曼光谱研究NaNbO_3的结构相变主要关注的是NbO_6内部振动引起的结构变化,没有详细研究低频段的晶格振动对结构相变的影响。因此,以体积比为16∶3∶1甲醇、乙醇和水的混合液作为传压介质,在准静水压力条件下,在0～22 GPa压力范围开展NaNbO_3粉末的结构相变研究。实验测试了更广波数区间(40～1 000 cm~(-1))的拉曼光谱,详细分析Na~+位移和NbO_6振动在升压和卸压过程中对NaNbO_3结构的影响。研究表明,压力诱变下NaNbO_3的拉曼光谱图在2, 7和9 GPa附近观察到结构的转变。升压过程, 2 GPa附近, NaNbO_3从室温Pbma转变成HP-Ⅰ相,具体表现在180～210 cm~(-1)的3个峰的强度快速增大, 221.2和252.8 cm~(-1)峰消失以及ν_1和ν_3模快速软化; 6.6 GPa以上,原来122.3, 155.5, 196.2, 228.2和279.4 cm~(-1)峰消失以及高频段的峰强度减弱、对称性变低等一系列的显著变化,标志NaNbO_3在7GPa附近发生第二次结构相变(HP-Ⅰ→Pbnm); 9.7 GPa的拉曼谱线显示出125 cm~(-1)以下的峰完全消失,形成一个很强背景, 182.2, 261.4和517.7 cm~(-1)处出现新的峰以及559.1 cm~(-1)峰消失,表明NaNbO_3在9 GPa附近从Pbnm转变成HP-Ⅲ相。直到22 GPa, NaNbO_3的拉曼谱线再没有变化并且呈现非常显著的光谱特征,说明HP-Ⅲ相在这一压强范围内保持稳定,Tc温度至少以dT/dP=27.9℃·GPa的速率从614℃降至室温,远远小于Shen等计算的结果。卸压过程, 7 GPa以下, HP-Ⅰ相的拉曼光谱图与升压时存在显著差异,表现在Na~+位移引起的结构无序化具有不可逆性,导致在这一压强范围内的晶体结构可能是HP-Ⅰ和Pbnm的共存相。完全卸压后, NaNbO_3的相结构基本恢复。由此可见,低频段Na~+位移引起的晶格振动对NaNbO_3的高压相变的影响很大,可以为以后研究其他钙钛矿型材料的结构相变提供参考。     

金刚烷的高压拉曼光谱研究

对金刚烷(C_(10)H_(16))进行了常温原位高压拉曼光谱研究,最高压力为25 GPa。通过分析高压拉曼光谱,结合拉曼频移随压力的变化情况,得出在实验压力范围内C_(10)H_(16)发生了多次相变。0.6 GPa时,C_(10)H_(16)由常温常压下的无序相(α相)转变为有序相(β相);继续加压至1.7 GPa时,第2次结构相变开始,直至3.2 GPa,第2次相变完全结束;第3次相变开始于6.3 GPa,结束于7.7 GPa;22.9 GPa时发生了第4次结构相变。另外,首次在拉曼光谱上探测到第3次相变过程中晶格振动峰的变化,说明第3次相变并非前人报道的等结构相变。     

CaCrO4与YCrO4的高压拉曼及晶体结构相变研究

利用原位高压拉曼散射的方法, 在6.0 GPa及3.0 GPa分别观察到锆石型化合物CaCrO4与YCrO4压力诱导的晶体结构相变。卸压后的拉曼光谱表明了结构相变的不可逆性。并且, 通过比较与实验的方法, 高压新相被确认为白钨矿相。在锆石-白钨矿相变中, 晶体对称性由I41/amd (No. 141, Z＝4)降低为I41/a (No. 88, Z＝4)。     

叠氮化钡的高压拉曼光谱研究

在室温条件下,利用金刚石对顶砧高压技术,对叠氮化钡进行了原位高压拉曼光谱研究,采用红宝石荧光压标测压,实验的最高压力为10 GPa。实验压力范围内拉曼光谱随压力增加发生了丰富的变化。由于多处拉曼峰的出现和消失并伴随频移有拐点,我们判断叠氮化钡在3 GPa左右时发生了第一次结构相变;随着压力继续增加,在3.5~6.5 GPa范围内拉曼光谱仍不断变化,我们判断可能是相变或者是N=N=N键角和两个键长的非对称压缩导致的;压力继续增加,在8 GPa左右,多处新峰出现和峰的劈裂表明又发生了一次结构相变,并且判断叠氮化钡向着更复杂的结构转变。通过实验可以确定,实验压力范围内N=N=N离子并未被破坏。其实验结果有待高压同步辐射实验的进一步确认。     

高压下L-丝氨酸的拉曼光谱研究

压力可以引起蛋白折叠与变性。作为蛋白质的基本构成单位,氨基酸在高压下的变化近来年备受关注。在常见的20种氨基酸中,学者们利用高压拉曼技术已研究了多种氨基酸在高压下的变化,研究的最高压力达到30 GPa。为了探究L-丝氨酸(C₃H₇NO₃)在极高压力下的结构变化情况,采用原位高压拉曼技术在常温下对L-丝氨酸晶体进行研究,最高压力达到22.6 GPa。研究发现,当压力达到2.7 GPa时,在102 cm-1处出现新峰,在1 123 cm-1(NH₃反对称摇摆振动)处的特征峰出现劈裂;当压力达到5.4 GPa时,L-丝氨酸晶体在574 cm-1处出现新峰,同时原来164 cm-1处峰消失;当压力达到6.0 GPa时,位于226,456,770和2 968 cm-1(CH₂伸缩振动)等处出现新峰,877 cm-1处的CC伸缩振动峰发生劈裂,产生894 cm-1新峰;当压力达到7.9 GPa时,在145,151和2 946 cm-1等出现新峰,同时原在CO₂摇摆振动峰的肩峰531 cm-1消失;当压力达到11.0 GPa时,位于249 cm-1处的振动峰开始劈叉,在241 cm-1处形成新峰,位于2 956 cm-1(CH₂伸缩振动)同时原位于391和431 cm-1处的峰消失;当压力达到17.5 GPa时,在200 cm-1处出现新峰。通过进一步分析L-丝氨酸的拉曼波数随压力的变化,发现很多拉曼峰在1.37,2.2,5.3,7.46和11.0 GPa以及15.5 GPa等压力点处都出现了拐点。其结果表明：L-丝氨酸在0.1～22.6 GPa之间共发生7处结构相变,分别位于压力区间0.1~1.37,2.2~2.7,5.3,6.0,7.46~7.9,10.1~11.0和15.5~17.5 GPa之间。而且,在6.0 GPa新的相变点在之前文献中未论述过。由于L-丝氨酸晶体在6.0 GPa时CC伸缩振动峰发生劈裂,这现象可能是由于压力引起L-丝氨酸晶体分子发生重排导致的,同时L-丝氨酸晶体分子重排导致氢键发生重排,使得L-丝氨酸晶体出现新的CH₂伸缩振动峰。L-丝氨酸晶体在10.1~11.0 GPa之间的拉曼光谱变化主要集中在低波数段,该波数段的拉曼振动模式主要与晶体晶格振动等低能量振动有关。同时在高波数段出现新的CH₂峰,由此可推测在10.1~11.0 GPa之间,L-丝氨酸晶体的晶格振动发生变化,产生了新的氢键,从而导致了L-丝氨酸晶体结构的改变。L-丝氨酸晶体在15.5~17.5 GPa之间,由于没有发现直接证据证明其发生结构相变,只是在拉曼波数随压力变化中,发现其在17.5 GPa时出现拐点,因此推测L-丝氨酸晶体在15.5~17.5 GPa之间可能发生结构相变。     

高压下1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐的振动光谱及同位素效应（英文）

用密度泛函理论方法研究1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(HATO)晶体在高压(40 GPa)下性质。在GGA-PW91计算水平并结合超软势基组对HATO晶体结构进优化,其优化结构能再现实验结果。分子间O…H间距随压力的增加而显著减小;但O—H和N—H键长呈现非单调变化。基于不同压力下的优化晶体结构,利用非周期性计算并经校正因子0.967 9校正,求得相应压力下的红外和拉曼谱。预测最强拉曼峰对应于C—C伸缩和NH_2对称变形,位于1 580 cm~(-1),与实验结果一致。虽然阴离子不含氢原子,但阳离子的氘代仍对阴离子的振动光谱产生影响。高压导致分子间氢键增强,导致参与氢键的O—H和O—D振动的拉曼波数减小。氘代后,ND_2的拉曼位移的最明显变化是ν_2伸缩振动波数在高压下急剧增加,导致ND_2ν_2/ν_3在高压下发生偶合。计算出的ν_1至ν_3振动的同位素效应比ν(NH_2)/ν(ND_2)均为1.36～1.38,与由折合质量所求得的值相一致。氘代和压力的变化可引起不同振动模式的偶合。     

斜锆石（ZrO2）高温高压相变的Raman光谱研究

 以Ar作压力介质，在0~23 GPa压力范围内，利用金刚石压腔装置（DAC）和激光加温技术，采用显微拉曼光谱进行原位测试，对处于准静水压力条件下的斜锆石开展高温高压相变研究。研究结果表明：室温下斜锆石ZrO₂于3.4 GPa时开始发生相变，到10.4 GPa时其明显转变成一个空间群为Pbca的斜方相。此新相随着压力升高，直到15.3 GPa，仍稳定存在。通过研究，首次获得了Pbca相的拉曼谱图。随后在15.3 GPa压力下进行了激光加温后淬火，结果发现，加热前的Pbca相又转变成了空间群为Pnam的PbCl₂结构类型的高压相，该相直到实验最高压力23 GPa仍稳定存在。     

HoVO4相变的高压拉曼光谱和理论计算研究

利用高温固相反应法制备了纯相的HoVO₄,并在0–21.25 GPa压强范围内测定了HoVO₄的拉曼光谱. 通过分析其拉曼峰的频移和劈裂变化情况,发现HoVO₄在9.3 GPa发生相变. 根据第一性原理选取并优化相似体系的高压晶体结构,将其与HoVO₄的常压锆石矿型I4₁/amd结构进行了能量比较,确认HoVO₄ 相变结构为白钨矿型结构（I4₁/a）. 研究结果表明,HoVO₄具有ScVO₄和YVO₄体系的从锆石矿型结构（I4₁/amd）至白钨矿型结构的相变过程. 分析对应结构相的体积随压强的变化,发现体积坍塌对该相变起重要作用. 上述研究结果有助于了解HoVO₄的高压结构以及该材料在高压特殊条件下的应用. 关键词： 锆石矿型结构 白钨矿型结构 拉曼光谱 第一性原理     

BiFeO_3高压拉曼光谱研究

BiFeO_3是少数在室温下同时具有铁电有序和铁磁有序的多铁材料之一。BiFeO_3在室温下呈扭曲的三方钙钛矿结构,满足R3c空间群。通过六面顶大压机在高温高压下合成纯的BiFeO_3粉晶,并结合高压拉曼光谱测试技术,得到了0~44GPa压强下BiFeO_3的拉曼光谱。结果表明:随着压强的增加,低波数的拉曼峰逐渐向高波数迁移并展宽,位于145、177和231cm-1的拉曼峰强度逐渐减弱。第一次相变发生在5GPa左右,位于145cm-1左右的拉曼峰消失,与此同时在217cm-1左右出现新的拉曼峰。当压强增加到11GPa时,明显观察到位于340cm-1左右的拉曼峰出现,而低波数(200cm-1)的拉曼峰则全部消失,标志BiFeO_3发生第二次相变,转为正交晶系的Pnma结构。压强增加到38GPa时,BiFeO_3发生第三次相变,位于340cm-1左右的拉曼峰消失,谱线上不存在明显的拉曼峰,BiFeO_3可能由正交晶系的Pnma结构转变为Pnmm结构或高对称的立方晶系结构。     

6H型六方钙钛矿相BaGeO3的高温高压合成

利用金刚石对顶砧高压装置,结合显微激光双面加热技术,对BaGeO_3开展了高温高压实验研究。常温常压下赝硅灰石相的BaGeO_3于12 GPa左右开始非晶化。进一步加压到22 GPa并对已完全非晶化的BaGeO_3样品进行(1 800±200) K的高温处理,拉曼光谱显示其转变成一种未见报道的高压新相。在0～17.4 GPa压力范围对BaGeO_3高压新相开展同步辐射X射线衍射测试,其衍射谱可以用6H型六方钙钛矿相进行指标化,并且卸压到常压时仍保持稳定。以6H型钙钛矿相为结构模型,分别对17.4 GPa和常压下的X射线衍射谱进行Rietveld结构精修,获得其结构参数。应用二阶Birch-Murnaghan状态方程拟合实验体积-压力数据,得到其体弹模量K0=150(2) GPa和零压晶胞体积V0=373.0(3)?3。在实验研究的基础上,对6H型钙钛矿相BaGeO_3进行第一性原理理论计算,所得不同压力下的晶格常数和体积数据与实验结果符合得很好,状态方程参数K0=153(1) GPa,V0=374.2(1)?3。20.0 GPa时计算的拉曼光谱也很好地描述了拉曼实验测量结果。研究结果补充了赝硅灰石相BaGeO_3在更高温压条件下的结构相转变。6H型钙钛矿相BaGeO_3的获得为进一步表征该相的物理化学性质奠定了基础,为开发高性能钙钛矿结构锗酸盐材料提供了可能性,同时对于理解硅酸盐钙钛矿结构的相变规律及稳定性、地球下地幔物理化学性质及其变化等具有重要的指示意义。     

传压介质对晶格振动和相变压力的影响——α-Bi2O3的高压拉曼光谱研究

 本文分别使用4∶1的甲醇-乙醇混合溶液和固态氩做传压介质测量α-Bi₂O₃的高压拉曼光谱。实验结果表明，传压介质对样品的谱线频移速率及相变压力有明显的影响。通过对拉曼光谱的分析认定，α-Bi₂O₃在高压下可能经历了一次结构相变，在准静水压和非静水压条件下的相变压力分别为23.1 GPa和20.4 GPa。     

CeO_2纳米八面体高压结构相变的Raman研究(英文)

利用高压原位拉曼光谱技术研究了非静水条件对CeO2纳米八面体高压结构相变的重压影响。研究表明:在非静水条件下(无传压介质),当压力达到26 GPa时,CeO2纳米八面体发生由立方萤石型结构到正交α-PbCl2型结构的可逆结构相变,相变压力低于相应的体材料(30 GPa)。相反,在准静水压条件下,CeO2纳米八面体的相变压力为33 GPa,高于其体材料。研究表明,实验条件对CeO2纳米八面体结构稳定性具有重要影响。     

准一维电荷有序半导体(NbSe4)3I低温物性研究

近期,准一维电荷密度波(CDW)材料(TaSe_4)_2I的低温相被报道为轴子绝缘体[Nature 575,315(2019)],引起了广泛的关注.电荷有序半导体(NbSe_4)_3I与(TaSe_4)_2I属于同一个体系,晶体结构也表现为准一维的链状结构,低温下的物态值得进一步研究.本工作利用拉曼光谱和电输运测量实验方法对化学气相输运法(CVT)制备的高质量type-II(NbSe_4)_3I单晶样品进行了低温下的电输运和振动性质研究.通过实验研究发现,(NbSe_4)_3I在低温下并不存在轴子绝缘态.此外,电输运实验表明(NbSe_4)_3I在T_(C1)=270.4K处发生了第一次结构相变,即P4/mnc (D~6_(4h))→P42_1c (D~4_(2d)).随温度进一步降低,拉曼光谱测试发现在T_(C2)=180K和T_(C3)=110K附近有新峰的出现,分别归因于反铁电(AFE)长程有序相的形成而导致的第二次结构相变以及对称性进一步降低导致的第三次结构相变.值得一提的是,与其他拉曼峰的演化不同,57.4cm~(-1)右侧出现的新峰在T_(C3)以下迅速向高波数移动,发生明显的蓝移,且伴随强度的急剧增强,有可能在低温温度传感器领域有着潜在的应用前景.     

正庚烷相变序列的高压拉曼光谱研究

在室温条件下, 利用金刚石对顶砧超高压实验技术, 对液态的正庚烷进行了原位高压拉曼光谱研究, 采用红宝石荧光压标测压, 实验的最高压力为20.78 GPa。实验中发现, 当压力达到1.2 GPa左右时, 原本透明的样品腔内有小晶粒形成, 此时测量的拉曼谱上发现有许多新的拉曼峰出现。因此, 我们判断正庚烷在此压力下发生了一次相变; 当压力增加到3 GPa左右时, 在92.42 cm-1和2913.6 cm-1处又出现了2个新的拉曼峰, 并且拉曼频移随压力变化的曲线出现拐点, 我们推测在此压力下正庚烷可能又发生第二次相变; 当压力高于14.5 GPa时, 正庚烷发生了第三次压致相变; 而当压力介于7.5~14.5 GPa之间正庚烷处于两相共存的状态。我们给出了液体正庚烷在高压下的相变序列为: 液相-旋转相Ⅲ-旋转相Ⅳ-结晶相。该研究结果为进一步理解和研究其他正烷烃在高压下的结构、物理和化学特性提供了理论基础。     

环庚烷的高压拉曼光谱研究

 利用金刚石对顶砧（DAC）装置产生高压,在室温下对环庚烷进行了高压原位拉曼光谱研究。实验的最高压力是17.00 GPa。研究结果表明,在实验的压力范围内,室温常压下为液态的环庚烷在0.53 GPa发生了液-固相变;在3.45~5.58 GPa压力区间,环庚烷的拉曼频移随压力变化的曲线和拉曼峰的半高宽随压力的变化曲线都出现了拐点,由此判断,环庚烷可能发生了固-固相变。     

正辛烷的高压拉曼光谱研究

 采用金刚石对顶砧高压装置,在室温下对正辛烷（C₈H₁₈）进行了原位高压拉曼光谱研究,实验的最高压力为13GPa。在实验的压力范围内,正辛烷的拉曼峰位随压力的升高均向高频移动,峰强逐渐减弱,峰形变宽。常态为液态的正辛烷在0.8 GPa时,拉曼频移随压力的变化曲线出现了拐点,发生了液－固相变;在6.8 GPa时,伴随着原拉曼峰的消失或劈裂,以及新拉曼峰的出现,此时正辛烷可能发生了固－固相变。该相变压力低于已有的低碳数正烃烷的压致相变结果。正烃烷的压致相变压力点,具有随着结构链长的增加,其相变压力降低的规律。     

金属氢研究新进展

简要介绍了金属氢的研究意义和应用前景 ,详细评述了有关的高压实验方法和最近的研究成果及进展 ,特别是固体氢的相图、结构和相变 .近十多年来 ,随着超高压技术的发展 ,已能在金刚石对顶砧 (DAC)上产生30 0GPa的静态压力 ,并可进行高压原位实验研究 .对固体氢进行了高压拉曼、同步辐射X射线、光反射和吸收、同步辐射红外光谱等一系列高压物性和相变研究 .从而确定了固体氢的三个相 ,并提出了可能的相结构 .     

叠氮化钠原位高压拉曼光谱研究

在室温条件下,利用金刚石对顶砧高压技术对叠氮化钠进行了原位高压拉曼光谱研究,采用红宝石荧光压标测压,实验的最高压力为37.7GPa。实验压力范围内拉曼光谱随压力增加发生了丰富的变化。由于多处拉曼峰的出现和消失并伴随频移有拐点,我们判断叠氮化钠在0~0.4GPa时发生了第一次结构相变,在相变过程中叠氮根的天平振动模式(Eg)出现了振动模式分裂为Ag和Bg,并且伴随着叠氮根离子之间的电荷转移。随着压力继续增加,在14.1GPa和27.3GPa分别发生了第二次和第三次结构相变。压致相变的路径为β-NaN_3→α-NaN_3→γ-NaN_3→δ-NaN_3。我们的拉曼散射研究,证实了此前的XRD研究。此外,结合计算,我们对常压下β-NaN_3的拉曼振动进行了指认。     

PbZr_(0.52)Ti_(0.48)O_3陶瓷的高压拉曼光谱研究

作为重要的铁电陶瓷材料之一,PbZr0.52Ti0.48O3(PZT)陶瓷因其广泛的工业应用而成为研究的焦点。通过水溶的溶胶-凝胶法,合成了PbZr0.52Ti0.48O3陶瓷片。通过拉曼光谱测试技术结合高压实验,系统地研究了PZT(MPB-PZT:PbZr0.52Ti0.48O3)陶瓷在不同压力下的拉曼光谱。拉曼光谱实验结果分析表明,在0~25GPa的压力范围内,随着静水压力的增加,在压力为2.61GPa时,PZT陶瓷发生了从三方-四方混合相到四方-立方混合相的结构相变,随着压力继续增大到8.5GPa,PZT陶瓷完全相变为顺电立方相。同时,对PZT陶瓷片的介电常数进行了测试,确定PZT陶瓷片的居里温度为395℃。