高压下钡的硫化物的结构相变和光学性质研究(英文)

利用基于密度泛函的第一性原理,计算了高压下钡的硫化物(BaS、BaSe和BaTe)的结构相变和光学性质。计算结果表明,这些化合物的压致结构相变是从NaCl型结构转变为CsCl型结构;对于结构转变压力和金属化转变压力,BaS为8.57 GPa和45.4 GPa,BaSe为7.44 GPa和36.5 GPa,BaTe则分别为5.67 GPa和16.7 GPa。光学性质计算结果显示:随着压力的增加,静态介电常数ε0不断增加,介电常数虚部ε2的峰值向高能方向移动(蓝移)。     

高压下CaF_2结构相变和光学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了在压力作用下CaF2的结构相变和光学性质。结果证实了CaF2的压致结构转变的顺序是从氟石结构(空间群Fm3m)转变到PbCl2型结构(空间群Pnma),然后继续转变为Ni2In型结构(空间群P63/mmc)。在Fm3m和Pnma两种结构中,电子带隙随着压力的增加而增加,而在P63/mmc结构中,带隙随着压力的增加开始下降。实验结果显示,直到210 GPa,CaF2没有发生由绝缘体到金属的转变。据此推测,CaF2的金属化压力高于300 GPa。还讨论了压力对CaF2光学性质的影响。     

压力下MoS_2的结构相变以及热动力学性质的第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了层状MoS2在压力下的热动力学性质和相变机制.计算表明MoS2的2Hc结构在17.5GPa会相变到2 Ha结构,与此前理论结果20GPa基本一致.对比分析了两个结构在压力下的弹性常数、体模量、波速、德拜温度、线性体模量、热膨胀系数和定容热容等热动力学性质.研究表明MoS2的2 Hc和2 Ha结构在0~60GPa都满足力学稳定性条件,说明相变不是由于力学稳定性丧失导致,并且两个高压相在压力下呈现出较强的弹性各向异性,在0~50GPa内其a轴抗压缩均能力强于c轴.在相变机制上,Mulliken布居分析表明,随着压力增加,S原子向Mo原子转移电子以及Mo原子内s电子向d电子转移对MoS2从2 Hc结构相变到2 Ha结构起到重要作用.     

CrI_3高压相变及其光学性质理论研究

利用第一性原理计算方法,探讨了体相CrI_3在低温斜方六面体结构(■,BiI_3-type)及高压单斜结构(C2/m,AlCl_3-type)的相变、电子结构和光学性质.计算结果显示,半导体CrI_3当压强增加到26.1GPa时,高压导致的晶格畸变致使CrI_3从相■变化到相C2/m;原子之间的错位位移,使导带处的能带发生下移,价带处的能带发生了一定程度的上移,导致带隙减小.两种相的光学性质进一步验证了这些特性.     

三聚氰胺(C_3N_6H_6)的高压Raman与压致结构相变研究

本文在8 7GPa压力范围内研究了三聚氰胺(C3N6H6)的高压原位Raman光谱。通过内、外Raman活性模的压致效应,发现在1 5GPa和6 0GPa压力下该分子晶体发生了压致结构相变。用空间群相关原理确认在1 5GPa压力下它从单斜相转变为三斜相;在6 0GPa压力下又发生了另一次结构相变。然后在室温高压条件下对三聚氰胺进行了原位同步辐射能量散射x-ray衍射实验(EDXD),在14 7GPa压力范围内,观察到常压下为单斜晶系的三聚氰胺经历了两次压致结构相变。在1 3GPa下,三聚氰胺分子晶体从单斜相转变为三斜相;在8 2GPa又转变为正交相。本实验结果为利用三聚氰胺碳氮有机分子晶体高温高压合成超硬C3N4共价晶体的研究提供了重要信息。     

压力下CaN_2结构稳定性和电子结构的第一性原理研究

通过运用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法结合广义梯度近似对压力下CaN_2的结构稳定性和电子结构进行了理论研究.对结构稳定性的研究表明,ZnCl_2型结构是CaN_2在环境压力下最稳定的结构,而实验上观察到的CaC_2-I型结构是CaN_2高压下(8.7 GPa)的稳定性结构.在50 GPa的压力范围内,CaN_2将发生从ZnCl_2型结构到ThC_2型结构再到CaC_2-I型结构的两次压致结构相变,其相变压力分别为0.81 GPa和8.77 GPa.而对电子结构的研究表明ZnCl_2型、ThC_2型和CaC_2-I型三种结构的CaN_2都表现出了金属特征,三种结构CaN_2当中Ca-N键的离子-共价性特征和N原子间的N=N双键特征得到了确认.     

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中, 采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构, 预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径. 压力低于100 GPa 时, 除了常压下的结构HfC, Hf₃C₂, Hf₆C₅, 并没有得到新的热力学稳定结构. 在200 GPa时, 预测得到了一种新化合物——Hf₂C, 空间群为I4/m; 且HfC的结构发生了相变, 空间群由Fm3m变为C2/m. 在300 GPa时, 预测得到了另一种新化合物——HfC₂, 空间群为Immm. 而在400 GPa时, HfC的结构再次发生相变, 空间群为Pnma. 通过能量计算, 得到了Hf-C体系的组分-压力相图: 在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时, Hf₃C₂和Hf₆C₅是稳定的; 压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时, Hf₂C和HfC₂变成稳定化合物; HfC的相变路径为Fm3m→C2/m→Pnma, 相变压力分别为185.5 GPa 和322 GPa. 经结构优化后, 得到了这四种高压新结构的晶体学数据, 如晶格常数、原子位置等, 并分析了其结构特点. 对于Hf-C 体系中的高压热力学稳定结构, 分别计算了其弹性性质和声子谱曲线, 证明是力学稳定和晶格动力学稳定的. 采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader 电荷分析, 发现HfC(C2/m, Pnma结构), Hf₂C 和HfC₂ 中Hf-C 键具有强共价性、弱金属性和离子性, 且C-C 间存在共价作用.     

In2（MoO4)3晶体的高压拉曼振动研究

钼酸铟(In2(MoO4)3)由于其独特的负热膨胀性质,已被广泛应用于燃料电池、光学器件、激光材料等方面. 为了进一步探讨其晶体结构和物理性质,本工作在金刚石对顶砧上原位测量了In2(MoO4)3 的高压拉曼光谱,最高压力达到18 GPa. 在研究的压力范围内,本工作观察到了两次相变. 首先,In2(MoO4)3在压力为1.2 GPa 时, 发生了 由从P21/a相到低对称结构的相转变. 在压力为5.8 GPa 时, 样品又发生了从晶相到非晶相的第二次相转变. 卸压后样品仍为非晶相,说明In2(MoO4)3 在高压下的非晶相变为不可逆相变.      

高压下CaPo弹性性质和热力学性质的第一性原理研究

利用密度泛函理论的平面波赝势方法预测研究了CaPo从岩盐结构(B1结构)到氯化铯结构(B2结构)的相变以及B1结构CaPo高压下的弹性性质以及热力学性质等.通过等焓原理发现B1→B2的相变压力为22.8GPa. 同时计算了B1结构CaPo高压下的弹性常数以及剪切模量、杨氏模量等相关弹性参数,结果发现当压力超过20GPa时,B1结构CaPo开始不稳定了,这和等焓原理所得结果相符合. 最后通过Debye模型成功获取了B1结构C 关键词： 相变 弹性性质 热力学性质 CaPo     

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。     

高压下锗化镁的金属化相变研究

锗化镁是一种窄带半导体,压力作用可以使锗化镁导带底与价带顶的能隙变小.本文基于第一性原理计算了锗化镁在高压下的能带结构以及反萤石相(常压稳定相)和反氯铅矿相(高压相)的焓值,发现在7.5 GPa时反萤石结构锗化镁导带底与价带顶的能隙闭合,预示着半导体相转变为金属相,计算结果还预测在11.0 GPa时锗化镁发生从反萤石结构到反氯铅矿结构的相变.实验研究方面,本文采用长条形压砧在连续加压条件下测量了锗化镁高压下的电阻变化,采用金刚石对顶压砧测量了锗化镁的高压原位拉曼光谱,发现在8.7 GPa锗化镁的电阻出现不连续变化,9.8 GPa以上锗化镁的拉曼振动峰消失.由于金属相的自由电子浓度高会阻碍激发光进入样品,进而引起拉曼振动峰消失,因此我们推测锗化镁在9.8 GPa转变为金属相.     

高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbm的α-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mnc的β-MgN8相和空间群为Cmcm的γ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。     

Reconstructive structural phase transitions in dense Mg

The question raised recently about whether the high-pressure phase transitions of Mg follow a hexagonal close-packed (hcp) → body centered cubic (bcc) or hcp → double hexagonal close-packed (dhcp) → bcc sequence at room temperature is examined by the use of first principles density functional methods. Enthalpy calculations show that the bcc structure replaces the hcp structure to become the most stable structure near 48 GPa, whereas the dhcp structure is never the most stable structure in the pressure range of interest. The characterized phase-transition mechanisms indicate that the hcp → dhcp transition is also associated with a higher enthalpy barrier. At room temperature, the structural sequence hcp → bcc is therefore more energetically favorable for Mg. The same conclusion is also reached from the simulations of the phase transitions using metadynamics methods. At room temperature, the metadynamics simulations predict the onset of a hcp → bcc transition at 40 GPa and the transition becomes more prominent upon further compression. At high temperatures, the metadynamics simulations reveal a structural fluctuation among the hcp, dhcp, and bcc structures at 15 GPa. With increasing pressure, the structural evolution at high temperatures becomes more unambiguous and eventually settles to a bcc structure once sufficient pressure is applied.     

High-pressure phase transitions of Mg2Ge and Mg2Sn: First-principles calculations

Phase transitions of the anti-fluorite compounds Mg₂Ge and Mg₂Sn under high pressure were investigated using the first-principles plane-wave method within the pseudopotential and generalized gradient approximations. The calculated results show that Mg₂Ge and Mg₂Sn undergo two first-order phase transitions at high pressure and the sequence of the pressure-induced phase transitions is from the anti-fluorite to the anti-cotunnite, and then to the Ni₂In-type structure. The high pressure behaviors of Mg₂Ge and Mg₂Sn are similar to Mg₂Si and the isostructural alkali-metal oxide Li₂O. Moreover, the electronic and optical properties of both the anti-fluorite and the high-pressure phases are presented.     

Structural and electronic transitions in gadolinium iron borate GdFe<Superscript>3</Superscript>(BO<Superscript>3</Superscript>)<Superscript>4</Superscript> at high pressures

The optical properties and structure of gadolinium iron borate GdFe₃(BO₃)₄ crystals are studied at high pressures produced in diamond-anvil cells. X-ray diffraction data obtained at a pressure of 25.6 GPa reveal a firstorder phase transition retaining the trigonal symmetry and increasing the unit cell volume by 8%. The equation of state is obtained and the compressibility of the crystal is estimated before and after the phase transition. The optical spectra reveal two electronic transitions at pressures ～26 GPa and ～43 GPa. Upon the first transition, the optical gap decreases jumpwise from 3.1 to ～2.25 eV. Upon the second transition at P=43 GPa, the optical gap deceases down to ～0.7 eV, demonstrating a dielectric-semiconductor transition. By using the theoretical model developed for a FeBO₃ crystal and taking into account some structural analogs of these materials, the anomalies of the high-pressure optical spectra are explained.     

ZnS结构相变、电子结构和光学性质的研究

运用第一性原理平面波赝势和广义梯度近似方法, 对闪锌矿结构(ZB)和氯化钠结构(RS) ZnS的状态方程及其在高压下的相变进行计算研究, 分析相变点附近的电子态密度、能带结构和光学性质的变化机理. 结果表明: 通过状态方程得到ZB相到RS相的相变压强值为18.1 GPa, 而利用焓相等原理得到的相变压强值为18.0 GPa; 在结构相变过程中, sp³轨道杂化现象并未消失, RS相ZnS的金属性明显增强; 与ZB相ZnS相比, RS相ZnS的介电常数主峰明显增强, 并向低能方向出现了明显偏移, 使得介电峰向低能方向拓展, 在低能区电子跃迁大大增强. 关键词： 硫化锌 相变 电子结构 光学性质     

压力对有机半导体均苯四甲酸晶体结构转变和电子性质的影响

研究高压条件下均苯四甲酸(C₁₀H₆O₈)材料的结构和性质对探索有机半导体材料的应用有积极意义.基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,开展了0-300 GPa压强下C₁₀H₆O₈晶体的结构、电子和光学性质的研究.晶格常数在压强20 GPa和150 GPa下出现了明显跳变,且原子之间随着压强变化反复地出现成键/断键现象,表明压强可诱导晶体结构变化.电子结构的性质表明,0 GPa的C₁₀H₆O₈晶体是带隙为3.1 eV的直接带隙半导体,而压强增加到150 GPa时,带隙突变为0 eV,表明了晶体由半导体转变为导体.当压强为160 GPa时,晶体又变成了能隙约为1eV的间接带隙半导体,这可能是费米能级附近仅受O-2p轨道电子影响所导致.通过对C₁₀H₆O₈晶体介电函数的分析,再次验证了晶体在150 GPa时发生了结构相变.同时...     

相变及空位缺陷对高压下GeO_2光学性质的影响

本文采用第一性原理方法,在100 GPa的压力范围内,计算了GeO_2理想晶体和含锗、氧空位点缺陷晶体的光学性质.吸收谱数据表明,压力诱导的三个结构相变对GeO_2晶体的吸收谱均有影响:第一个相变将导致其吸收边蓝移,而第二和第三相变将使得其吸收边红移.锗和氧空位点缺陷的存在将导致GeO_2的吸收边红移,但氧空位点缺陷引起的红移更明显.尽管如此,分析发现,在100 GPa的压力范围内,压力、相变以及空位点缺陷等因素都不会导致GeO_2晶体在可见光区出现光吸收现象(是透明的).波长在532 nm处的折射率数据显示,在GeO_2的四个相区,其折射率均随压力增加而降低;而且,GeO_2的三个结构相变以及锗、氧空位点缺陷都会导致其折射率有所增大.本文预测,GeO_2有成为冲击光学窗口材料的可能.     

Pressure-induced phase transitions in CaB6 by means of XRD and resistance measurement

High pressure behavior of CaB₆ with cubic crystal structure is investigated by means of energy dispersive X-ray diffraction and by employing in situ resistance measurement in a diamond anvil cell. Two newcome high pressure phase transitions are found with pressure ranging from ambient to 26 GPa. The first one at 12 GPa is a structural phase transition from CsCl-type structure to orthogonal structure, which is reflected by both the X-ray diffraction and the resistance variation. The other one at 3.7 GPa is suggested to be an electronic transition, which is observed only in resistance measurement. The diffraction pattern recovered while the pressure is released to 0 GPa with a pressure hysteresis over 11 GPa, which implies the reversibility of the two phase transitions. Bulk moduli of the cubic and orthogonal phases are estimated by fitting the data to a Brich-Murnaghan equation of state equal to 169.9 and 48.2 GPa, respectively.