Neutron powder diffraction and high-pressure synchrotron x-ray diffraction study of tantalum nitrides

Tantalum nitride(TaN) compact with a Vickers hardness of 26 GPa is prepared by a high-pressure and hightemperature(HPHT) method. The crystal structure and atom occupations of WC-type TaN have been investigated by neutron powder diffraction, and the compressibility of WC-type TaN has been investigated by using in-situ high-pressure synchrotron x-ray diffraction. The third-order Birch–Murnaghan equation of state fitted to the x-ray diffraction pressure–volume(P–V) sets of data, collected up to 41 GPa, yields ambient pressure isothermal bulk moduli of B'_0= 369(2) GPa with pressure derivatives of B 0= 4 for the WC-type TaN. The bulk modulus of WC-type TaN is not in good agreement with the previous result(B_0= 351 GPa), which is close to the recent theoretical calculation result(B_0= 378 GPa). An analysis of the experiment results shows that crystal structure of WC-type TaN can be viewed as alternate stacking of Ta and N layers along the c direction, and the covalent Ta–N bonds between Ta and N layers along the c axis in the crystal structure play an important role in the incompressibility and hardness of WC-type TaN.     

Evidence for a High-Pressure Isostructural Transition in Nitrogen

We observed an isostructural phase transition in the solid nitrogen λ-N₂ at approximately 50 GPa accompanied by anomalies in lattice parameters, atomic volume and Raman vibron modes. The anomalies are ascribed to a slight reorientation of the nitrogen molecules, which does not seem to affect the monoclinic symmetry(space group p2_1/c). Our ab initio calculations further confirm the phenomena, and suggest an optimized structure for the λ-N₂ phase. In addition, a ne...     

固态离子晶体β-K0.294Ga1.969O3的高压与变温拉曼光谱研究

β-镓酸盐（β-gallate）型化合物是一种非常有应用前景的固态离子导体,在储能领域具有重要的应用价值。该类型化合物导电层中往往可以容纳过量的碱金属离子,使得该体系体现出复杂的晶格动力学行为,这也为进一步理解其导电机制带来了困难。压力与温度两个参量均可以通过改变原子间的间距而影响材料的结构,在研究材料的动力学过程,尤其在研究离子的扩散过程方面有很大的应用价值。迄今为止,对于温度依赖的β-镓酸盐型化合物的特性研究很少,且尚无β-镓酸盐型结构化合物的高压研究。由于激光拉曼散射技术在研究物质晶格动力学方面的独特优势,尤其压力与温度依赖的拉曼光谱可以提供重要的结构信息,是研究物质晶格动力学行为的有效实验手段。使用大腔体静高压技术成功合成了一种新型的β-镓酸盐型K_0.294Ga_1.969O₃(KGO)晶体,利用扫描电镜、能谱对晶体进行了表征,通过单晶X射线衍射对其晶体结构进行了解析,并与β-Ga₂O₃的晶体结构进行了对比分析。利用高压和变温拉曼光谱研究了KGO导电层中无序碱金属离子的晶格动力学行为。研究发现,由尖晶石层与疏松的离子导电层交替排列而成的β-镓酸盐型KGO晶体结构在压力23.3 GPa条件下仍可保持稳定;由于振动模式不同,高频拉曼模与低频拉曼模的压力系数存在着显著差异,并表现出显著的对压力诱导非谐性。在约300 ℃,KGO中K+发生热激活,表现在与碱金属K+运动相关的低频拉曼模的强度迅速增加,而与Ga-O多面体相关的高频振动模强度增加缓慢,与此同时,K+在沿着导电平面的方向上发生了无序扩散过程。研究结果将有助于深入地理解β-镓酸盐型结构化合物的导电机制,而且对于实现β-镓酸盐型化合物精确的计算控制和掺杂尤为重要。     

立方聚合氮(cg-N)的高温高压合成

以共价N─N单键结合的三维网状聚合氮(cg-N)是一种理想的高能量密度材料。在室温下将分子态氮加压至135.6GPa,观测到了氮的一系列"固体分子态-固体分子态"转变(β-δ-ε-ζ-η);且在不引入任何激光吸收材料的情况下,直接对红色的非晶η氮进行双面金刚石压砧激光加热,在133.9GPa、2 000K的条件下成功地合成出透明cg-N,并测量得到cg-N在134GPa附近拉曼A模频率对压力的变化率为1.56cm~(-1)/GPa。     

立方聚合氮(cg-N)的高压低温拉曼光谱研究

聚合氮是一种理想的高能密度材料。本工作在室温下将分子氮加压至136 GPa,利用激光加热至2000 K成功合成以共价N-N单键结合的三维网状立方聚合氮cg-N。采用自主设计的高压低温装置,在173 K到300 K的温度范围内测量了cg-N样品的变温拉曼光谱,观察到不同压力下cg-N的A模声子对温度具有不同的响应。基于多声子耦合模型,研究A模频率的蓝移现象和A模声子对温度的响应特性。结果表明低温条件下cg-N拉曼散射效应中三声子耦合过程占主导,133 GPa时的三声子耦合过程对声子模拉曼频移的影响要小于140 GPa,而四声子耦合过程对声子模拉曼频移的影响要大于140 GPa。