高温高压下β相硼的电导率测量

 硼在高压下具有复杂的结构和多样的物理性质,对其结构和性质的深入研究具有很重要的意义,一直引起理论和实验研究领域的关注。高压下进行电学性质测量是获得物质物理性质的有效手段,利用集成在金刚石对顶砧上的微电路,在高压下和两个不同温度范围内对β相硼进行了电导率测量,分析了导电机制随压力的变化规律。在0～28.1 GPa范围内,β相硼的电导率随着压力的增大是逐渐增大的,卸压后样品的电导率不能回到最初的状态,是一个不可逆的变化过程;由室温到423 K的范围内,β硼的电导率随着温度的不断增加有明显的上升趋势,并且随着压力的升高,电导率变化逐渐加快。此外,对样品在14.5 GPa和18.6 GPa压力下,用溅射到金刚石对顶砧上的氧化铝薄膜做绝热层,对样品进行了激光加热实验,最高温度达到2 224 K,电导率随着温度的上升而增大,结果显示,β相硼的电学特征仍然属于半导体的特征范围内。     

富硼稀土硼化物NdB6的高温高压合成

 提出了一种在高温高压极端条件下合成富硼稀土硼化物NdB₆的新方法，即以稀土氧化物Nd₂O₃为钕源与单质硼反应的方法获得了稀土六硼化物NdB₆。并对合成产物进行了粉末X射线衍射分析。结果表明在配比为Nd：B＝1：6时，压力为4.0 GPa、温度为1 600 ℃、反应时间为15 min的条件下，获得了单相性非常好的NdB₆。高温高压合成NdB₆方法具有反应条件易达到、合成时间短、反应产物单相性好等优点。其XRD结果表明该合成产物为立方结构，晶格常数为a＝0.417 nm。     

硼硫协同掺杂金刚石的高压合成与电学性能研究

FeNiMnCo-C体系中,在压力6.5 GPa、温度1280—1300℃的极端物理条件下,采用温度梯度法成功合成了硼(B)、硫(S)协同掺杂金刚石大单晶.通过傅里叶红外光谱测试对高温高压所制备金刚石中的杂质进行了表征.借助霍尔效应对典型金刚石样品的电输运性能进行了测试,测试结果表明:硼硫协同掺杂有利于提高p型金刚石的电导率,而且硼硫在合成体系中的添加比例可以决定金刚石的p, n特性.此外,第一性原理计算结果表明,合成体系中不同比例的硼硫协同掺杂对金刚石的p, n特性以及电导率有着直接的影响,计算结果与实验测试结果相吻合.     

六方MoN的合成新路线

 在高温高压极端条件下利用CH₄Cl还原二氧化钼的方法合成了六方MoN。反应条件为：压力2 GPa,温度1 500 ℃,时间2 h。并利用XRD对合成产物进行了表征。经最小二乘法拟合后结果表明,该合成产物具有六方结构对称性,其晶格常数为a＝0.572 nm,c＝0.560 nm。经过对其衍射峰位和峰强进行拟合计算,并与实验结果进行比较, 结果表明 MoN 产物的空间群为P6₃/mmc,其中Mo原子位于2b (0, 0, 1/4)和6h (x, 2x, 1/4),x＝0.489。N原子位于2a (0, 0, 0)和6g (0.5, 0, 0)。所采用的方法具有反应条件易达到、反应时间短、反应产物单相性好等特点。     

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。     

硼氢协同掺杂Ib型金刚石大单晶的高温高压合成与电学性能研究

在压力6.0 GPa和温度1600 K条件下, 利用温度梯度法研究了(111)晶面硼氢协同掺杂Ib型金刚石的合成. 傅里叶红外光谱测试表明: 氢以sp³杂化的形式存在于所合成的金刚石中, 其对应的红外特征吸收峰位分别位于2850 cm^-1和2920 cm^-1处. 此外, 霍尔效应测试结果表明: 所合成的硼氢协同掺杂金刚石具有p型半导体材料特性. 相对于硼掺杂金刚石而言, 由于氢的引入导致硼氢协同掺杂金刚石电导率显著提高. 为了揭示硼氢协同掺杂金刚石电导率提高的原因, 对不同体系进行了第一性原理理论计算, 计算结果表明其与实验结果符合. 该研究对金刚石在半导体领域的应用有重要的现实意义.     

六角相B-C-N化合物的高压相变研究

采用原位高压同步辐射能散X射线衍射和金刚石压砧技术,实验研究了新型超硬材料六角相B0.47C0.23N0.30的高压相变及物理特性,压力范围为1.4～30 GPa.实验结果表明,六角相B..47C0.23N0.30在14.9 GPa压力下发生了相变,形成的新相为六方纤锌矿结构.计算得到了具有六方纤锌矿结构的B0.47C...     

AlNBN复相纳米陶瓷的高温高压合成与表征

利用直流电弧等离子体方法制备了氮化铝纳米粉,用行星式球磨机制备纳米级的氮化硼粉,将这两种纳米粉均匀混合,经过5 GPa、1500 ℃的高温高压处理,最终制备出AlN/BN纳米复相陶瓷,对合成的产物进行了X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)的分析,得到样品的结构和形貌特征,结果表明合成产物为AlN/BN纳米复相陶瓷.      

R相C60聚合物的磁性研究

在高温高压条件下利用高压合成装置合成了二维R相C60聚合物,并利用X射线衍射(XRD)和超量子干涉(SQUID)对合成的样品进行了研究.X射线衍射(XRD)数据表明,在6 Gpa压力和7000C-7250C的温度条件下合成的聚合物为纯度较高的二维R相C60聚合物,当温度升高至8000C时,富勒烯的笼状结构塌陷,样品全部变为无定形碳结构.超量子干涉(SQUID))数据表明,在富勒烯笼状结构出现破缺或共价键结构出现断裂的边界条件下制备的二维R相C60聚合物具有铁磁性,样品的磁性来源于破缺的C60分子笼和断裂的共价键.     

高温高压下掺硼宝石级金刚石单晶生长特性的研究

本文在5.1—5.6 GPa,1230—1600℃的压力、温度条件下,以FeNiMnCo作为触媒,进行单质硼添加宝石级金刚石单晶的生长研究.借助于有限元法,对触媒内的温度场进行模拟.研究得到了FeNiMnCo-C-B体系下,金刚石单晶生长的P-T相图.该体系下合成金刚石单晶的最低压力、温度条件分别为5.1 GPa,1230℃左右.研究发现,在单晶同一{111}扇区内部,硼元素呈内多外少的分布规律.有限元模拟结果给出,该分布规律是由在晶体生长过程中,{111}扇区的增长速度逐渐减小所致.{111}晶向的晶体生长实验结果表明,硼元素优先从{111}次扇区进入晶体.研究发现,这是该扇区增长速度相对较快,硼元素扩散逃离可用时间短导致的.另外,同磨料级掺硼金刚石单晶生长相比,对于温度梯度法生长掺硼宝石级金刚石单晶,由于晶体的增厚速度较慢,即使硼添加量相对较高,也可以实现表面无凹坑缺陷的优质金刚石单晶的生长.     

大块钙钛矿MgSiO3和镁方铁矿(Mg,Fe)O的高压合成

 钙钛矿相MgSiO₃和镁方铁矿(Mg,Fe)O作为地球下地幔含量最丰富的候选矿物，其高温高压实验数据通常用来与地震学探测数据做对比，对限定下地幔的真实矿物学组分具有决定性的作用。但天然的钙钛矿相MgSiO₃和镁方铁矿(Mg,Fe)O很难得到，给这两种矿物的高温高压实验研究工作带来不便。介绍了应用活塞圆筒（Piston-Cylinder）压机和大腔体二级压砧（Mutli-Anvil）压机高温高压合成大块钙钛矿相MgSiO₃和不同Fe/Mg比的镁方铁矿(Mg,Fe)O样品的实验技术和实验方法，对所得到的样品进行了微区电子探针、拉曼光谱和X射线衍射分析。所得样品可以作为高压实验特别是冲击压缩实验的初始样品。     

金红石高温高压相变的Raman光谱特征

以Ar作压力介质,在准静水压力条件下,利用激光加热DAC技术和显微Raman光谱原位测试技术,在0～35 GPa压力范围开展金红石的高温高压相变研究。在室温条件下,金红石结构TiO₂于13.4 GPa开始转变成斜锆石相,于21 GPa时转变完全,并直到35 GPa时斜锆石相稳定存在。在压力分别为29.4和35.0 GPa时,用YAG激光器发出的波长为1.064 μm的红外激光束扫描加热样品,TiO₂斜锆石高压相转变成另一Pbca结构高压相。卸压时,Pbca相于26.3 GPa时转变成斜锆石相。斜锆石相转变成Pbca相需要加热才能发生,而卸压时却在较小的压力区间即迅速转变完全,两相转变压力边界在28 GPa左右。进一步卸压,斜锆石相直到11 GPa仍稳定,在7.6 GPa时斜锆石相与α-PbO2相两相共存,5 GPa时完全转变成α-PbO₂相,并直到常压该相以亚稳定态存在。     

ZrN-ZrB2纳米复合材料的高压制备及性能表征

 以金属锆粉（Zr）和六方氮化硼粉（h-BN）为原料,结合高能球磨和高温高压合成技术,制备出了ZrN-ZrB₂纳米复合材料。利用X射线衍射、透射电镜和拉曼光谱等测试手段,对材料的结构和合成规律进行了研究。结果表明,高能球磨过程中只合成出了ZrN_x,没有出现ZrB₂,从N、B原子与Zr进行固态反应的热力学和动力学方面分析了原因。利用Zr与BN粉球磨10 h后的混料,在压力为5 GPa、温度为1 300 ℃的条件下,制备出了具有高致密度的ZrN-ZrB₂纳米复合材料。其维氏显微硬度（17 GPa）、热膨胀系数（7.57×10^-6 ℃^-1）和电阻率-温度系数（8.846×10^-4 ℃^-1）等材料参数的测量结果表明,ZrN-ZrB₂复合材料是一种集优良的力学、热学和电学性能于一体的纳米复合材料。     

片状h-BCN化合物的高温高压化学合成与表征

以高温烧结三聚氰胺制得的CNH化合物为C、N源,与分析纯单质硼粉以一定比例混合,在5.0~5.5 GPa、1 400~1 500℃高温高压条件下,经化学反应合成了六角硼碳氮(h-BCN)晶体。用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对产物进行了表征,结果表明,得到了含碳量较高的六方结构B0.18C0.66N0.16化合物,成分接近于BC4N,硼、碳、氮是以原子化合的形式存在;XRD分析确定该合成产物具有六角网状结构;SEM测量结果表明,B-C-N晶体具有片状六角形貌,尺寸在1μm左右。     

A molecular dynamics study of the mechanical properties of h-BCN monolayer using a modified Tersoff interatomic potential

Using molecular dynamics (MD) simulations, we investigate the mechanical properties of hexagonal BCN monolayer, a newly synthesized two-dimensional material with an atom ratio of B/C/N = 1:1:1. The Tersoff potential is modified to get good agreement between predicted and measured fracture strengths of graphene. With this modified Tersoff potential, we perform extensive MD simulations to study the effect of temperature, strain rate and vacancy defect on the mechanical properties of h-BCN. It is found that h-BCN is a strong material with fracture strength of 81.4–93.5 GPa, albeit ∼35% lower than that of graphene. Similar to graphene, temperature has strong effect on the mechanical properties of h-BCN. As the temperature increases from 10 K to 1300 K, the fracture strength and strain of h-BCN drops by 55% and 62%, respectively. The strain rate is found to have a moderate effect. When the strain rate increases from 0.00002 to 0.0125 ps⁻¹, the fracture strength and strain of h-BCN increases 6.1% and 12%, respectively. As for the atomic defect, a very small concentration (0.028%) of vacancy in h-BCN is able to cause a 28% reduction in fracture strength and a 35.5% reduction in fracture strain. These findings have significance for its future applications in nanodevices.     

碳硅石压腔在高温高压拉曼光谱研究中的应用

描述了碳硅石压腔的结构和特点。碳硅石压腔主要包括碳硅石压砧、支撑加压系统、加热系统和金属垫片等部分。合成碳硅石的硬度高、热导性好、膨胀系数小、热稳定性好,并且它的晶体颗粒大,透明度好,价格也很便宜,因此是一种很好的压砧材料。还介绍了应用碳硅石压腔对Na₂CO₃溶液、Na₂SO₄溶液、水的拉曼光谱进行高温高压原位测量的实例。     

二维Rh-C60聚合相的制备和表征

 利用高压合成装置在6 GPa压力、700 ℃温度条件下合成了二维C₆₀聚合相,并用X射线衍射（XRD）和高分辨核磁共振（NMR）等方法对样品进行了表征。XRD分析结果表明,C₆₀分子在高温高压下发生了聚合反应,晶体结构由面心立方结构变为菱形结构,通过［2+2］加环反应在邻近分子间形成sp³杂化共价键。¹³C核磁共振魔角谱 （¹³C MAS NMR）在δ145和δ72处出现了两个共振峰,其中在δ145附近的峰展宽并有两个边带。δ145附近的峰的展宽与分裂主要是由于C₆₀分子上出现了不等价的sp²杂化碳和高温高压条件下产生的结构无序,边带的形成说明了其结构的各向异性;位置为δ72附近的峰证明了聚合物内C₆₀分子之间出现了sp³杂化键。     

Chemical Synthesis and Characterization of Flaky h-BCN at High Pressure and High Temperature

Hexagonal boron carbonitrogen （h-BCN） compound is synthesized from a mixture of boron powder and CNH compound prepared by pyrolysis of melamine （CaH6N6） under high temperature （1400-1500℃） and high pressure （5.0-5.5 GPa）. X-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and Raman spec- troscopy are used to determine the chemical composition and bonds of the product. The results show that the product has composition of B0.18C0.64N0.16 （near BC4N） and atomic-level hybrid. X-ray diffraction analysis indicates that the powder has a hexagonal network structure. Scanning and transmission electron microscopy results suggest that h-BCN compound morphology is mainly flaky in width about 1 μm and thickness 200nm.