高压下ZnSe直流和交流电学性质的研究

采用高压原位测量技术在0–35 GPa压力范围内对ZnSe直流和交流电学性质进行了研究. 通过分析直流电学测量结果可知,在实验压力区间内ZnSe经历了由纤锌矿转变为朱砂相再转变为岩盐相的两次相结构转变. 分析温度与材料电阻率的变化关系表明ZnSe在高压下的相变为金属化相变,并通过交流阻抗谱的测量实验证实了这个结论. 进一步比较低压条件下晶粒和晶界电阻的变化,表明朱砂相结构的ZnSe更接近各向同性材料. 关键词： 高压 ZnSe 电学     

高压下TiO2纳米线晶粒和晶界性质及电输运行为

采用水热合成法制备了锐钛矿相TiO₂纳米线,并通过原位高压阻抗谱测量技术研究了TiO₂纳米线晶粒和晶界性质及电输运行为随压力的变化关系.研究结果表明:在0—34.0 GPa压力区间,锐钛矿TiO₂纳米线的传导机制为电子电导.TiO₂纳米线晶粒和晶界电阻以及弛豫频率在8.2—11.2 GPa压力区间均出现了不连续变化行为,此压力区域对应着由锐钛矿相到斜锆石相的结构转变,并且相变从晶粒表面逐渐延伸到晶粒内部.晶粒激活能和晶界激活能均随压力的增加而减小,说明压力对样品电导率的贡献为正.在所测压力范围内,空间电荷势始终为正值,表明在空间电荷区阴离子缺陷更易形成,氧缺陷是TiO₂纳米线相变的主要诱因.     

纳米硫化锌球壳的高压相变研究

 采用同步辐射能量色散X射线衍射（EDEX）技术和金刚石对顶砧高压装置,对纳米硫化锌球壳进行了原位高压X射线衍射实验。最高压力达33.3 GPa。常压下纳米硫化锌球壳为纤锌矿结构和闪锌矿结构共存的混相结构。压力达到11.2 GPa时,纳米硫化锌空心球中的纤锌矿结构全部转变为闪锌矿结构。压力达到16.0 GPa时,发生了由闪锌矿结构向岩盐矿结构的相变,在17.5 GPa和21.0 GPa时分别出现未知峰,33.3 GPa时基本完全转变为岩盐矿结构。两个相变均为可逆相变。     

高压下AlN纳米线的介电性质

利用高压X射线衍射和高压原位电化学阻抗谱法研究了AlN纳米线的高压结构和电学性质.研究结果表明:AlN纳米线的电学参数均在22.6 GPa发生了突变,该突变与样品发生了从纤锌矿到岩盐矿的结构相变相关.岩盐相中晶格对电子的散射在电传导中起主导作用;不同于纤锌相中的长程传导,岩盐相中存在短程传导,且其作用随压力增加而增大;纤锌相的介电损耗峰在1Hz且不受压力影响;岩盐相的介电损耗峰随压力减小且向低频方向移动.本研究将为AlN及其相关材料的进一步研究和应用提供实验依据.     

高压下缺陷对锐钛矿相TiO2多晶电输运性能的影响:交流阻抗测量

采用高压原位阻抗谱测量技术对锐钛矿Ti O₂多晶的电输运性质进行了系统研究.在6.4, 11.5和24.6 GPa压力处发现了晶粒和晶界的电阻、参数因子和弛豫频率的反常变化行为.研究分析表明:6.4和11.5 GPa压力点分别对应着Ti O₂由锐钛矿转变为a-Pb O₂,再转变为斜锆石的结构相变,当压力高于24.6 GPa时,Ti O₂完全转变为斜锆石相.通过分析晶粒和晶界电阻在压力作用下的变化行为可知,本征缺陷的存在对Ti O₂高压下电输运性质的变化起着关键的作用.在6.4 GPa压力处,相变的发生导致缺陷的作用发生了变化,由作为复合中心的深能级缺陷转变为向导带和价带提供载流子的浅能级缺陷,并且作为浅能级缺陷存在至实验最高压力点38.9 GPa,浅能级缺陷在能带中的位置也随着相变发生而改变.晶粒和晶界的激活能随着压力升高而降低,表明高压下载流子在晶粒和晶界的输运变得更加容易.此外, Ti O₂晶粒和晶界的弛豫频率比值随压力的升高而不断减小,高压下的晶界效...     

ZnSe高压相变和声子谱的第一性原理研究

采用基于第一性原理的平面波赝势和广义梯度近似方法,对闪锌矿(ZB)、纤锌矿(WZ)和岩盐(RS)结构的ZnSe在0~40GPa压力下的热力学性质及相变特性进行了研究。通过数值计算得出3种结构ZnSe的能量随体积变化的曲线,在此基础上,研究了不同结构ZnSe的晶格常数、高温高压物态方程、结构相变及弹性性质,解释了高压下结构相变的机理,并通过焓相等原理得到ZB结构到RS结构的相变压力为14.95GPa。最后,利用VASP软件结合Phonopy计算了ZB结构和RS结构ZnSe的声子谱,并将温度效应引入,得到亥姆霍兹自由能、熵和等容热容随温度的变化关系。     

不同粒径纳米晶硫化锌的高压结构相变研究

 应用原位能量色散X射线散射和金刚石对顶砧技术,对纳米晶ZnS进行了高压结构相变研究。初始相为纤锌矿结构的10 nm和3 nm硫化锌分别在16.0 GPa和16.7 GPa时转变为岩盐矿结构,相变压力均高于纤锌矿结构的体材料硫化锌。该相变为一可逆的结构相变。应用大型科学计算软件Materials Studio（MS）计算了纳米晶ZnS的状态方程,根据Birch-Murnaghan方程拟合了纳米晶ZnS的零压体模量,得到的零压体模量高于相应体材料的零压体模量,表明纳米晶ZnS较难压缩。     

AIN 纳米线高压相变的 Raman 光谱特征

利用金刚石对顶砧(DAC)技术和显微 Ramana 光谱原位测量技术,在0～33.1 GPa 压力范围对 AIN 纳米线进行了高压相变研究.在24.4 GPa 附近,A1(LO)振动模式呈现出较大的非对称性宽化的特征,表明发生了六角纤锌矿到立方岩盐矿的结构转变.岩盐矿结构 AIN 纳米线的无序声子散射导致了高压相的Raman 散射信号.卸压后,高压相的 Raman 光谱特征被保留下来.根据纤锌矿结构 AIN 纳米线的振动模式频率随压力的变化关系,讨论了 AIN 纳米线和体材料在转变路径上的区别,并计算了纤锌矿结构中对应不同声子模式的格林爱森常数.     

ZnS:Eu纳米晶的高压相变研究

采用同步辐射能量色散X射线衍射技术和金刚石对顶砧高压装置,对ZnS:Eu纳米晶进行了原位高压X光衍射实验.最高压力为30.8Pa.当压力为11.5GPa时,ZnS:Eu发生了一次从纤锌矿到闪锌矿的结构相变.在压力为16.0GPa时,又发生了明显的结构相变,相变后的结构为岩盐矿,其相变压力较体材料高.得到了Birch-Murnaghan状态方程、ZnS:Eu纳米晶的体模量和压力导数.ZnS:Eu纳米晶的体模量高于体材料的值,表明纳米材料较体材料的硬度高.     

利用电导率测量方法研究不同粒径ZnS高压相变过程

利用在金刚石对顶砧上集成的金属电极,对不同粒径的ZnS材料进行了高压原位电导率测量. 粒径为2 μm的体材料ZnS在15 GPa时,电导率迅速增大5个数量级,表明体材料ZnS此时发生了从闪锌矿到岩盐矿的结构相变. 而粒径6 nm的纳米材料ZnS的结构相变压力为21 GPa. 电导率测量结果还表明纳米 ZnS比体材料ZnS还具有更宽的迟滞区间.     

ZnSe相变、电子结构的第一性原理计算

基于第一性原理平面波赝势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,对闪锌矿结构(ZB)和岩盐结构(RS)的ZnSe在0—20GPa高压下的几何结构、态密度、能带结构进行了计算研究,分析了闪锌矿结构ZnSe和岩盐结构ZnSe的几何结构.在此基础上,研究了ZnSe的结构相变、弹性常数、成键情况以及相变压强下电子结构的变化机理.结果发现:通过焓相等原理得到的ZB相到RS相的相变压强为15.3GPa,而由弹性常数判据得到的相变压强为11.52GPa,但在9.5GPa左右并没有发现简单立方相的出现;在结构相变过程中,sp3轨道杂化现象并未消除,Zn原子的4s电子在RS相ZnSe的导电性中起主要贡献.     

高压下ZnSe 纳米带的结构相变及拉曼散射研究

 利用高压原位角散X射线衍射实验研究了ZnSe纳米带的结构稳定性。发现样品在12.6 GPa 附近存在一个从立方闪锌矿型到立方岩盐矿型的结构相变,并且在相变点附近存在较大的体积收缩,相对体积变化率达13%。利用Birch-Murnaghan 状态方程拟合,得到了闪锌矿相的体弹模量约为56 GPa,略低于体材料的体弹模量（约67 GPa）;并得到其立方岩盐矿相的体弹模量约为116 GPa。高压拉曼散射实验结果表明,横光学声子模散射峰在5.5 GPa压力附近发生劈裂,纵光学声子模散射峰在12.8 GPa压力以上逐渐消失。根据角散实验的体弹模量数据,计算得到了闪锌矿相中对应不同声子模式的格林爱森常数。     

相变及空位缺陷对AlN在高压下光学性质的影响

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法, 计算了AlN理想晶体和含铝、氮空位点缺陷晶体在100 GPa压力范围内的光学性质. 波长在532 nm处的折射率计算结果表明：AlN从纤锌矿结构相转变为岩盐矿结构相将导致其折射率增加; 铝空位缺陷将引起AlN岩盐矿结构相的折射率增大, 而氮空位缺陷却导致其折射率降低. 能量损失谱计算数据指明：结构相变使得AlN能量损失谱蓝移、主峰峰值强度增强;铝和氮空位缺陷将导致AlN岩盐矿结构相的能量损失谱主峰进一步蓝移、峰值强度再次增强. 计算预测的结果将为进一步的实验探究提供理论参考.     

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     

Ag掺杂氧化锌纳米材料的制备及高压相变拉曼光谱研究

宽禁带直接带隙半导体材料氧化锌（ZnO）,具有优异的光电性能、机械性能和化学特性。ZnO材料的结构对其性能影响较大,元素掺杂可改变ZnO晶体结构和带隙宽度,是提升ZnO材料性能的有效手段,当前常用Ag掺杂ZnO即为提高光催化反应效率。高压独立于温度、成分,是调控材料结构组织性能的重要手段,是产生新材料、发现新调控原理的重要因素。该研究通过对比纯ZnO晶体和Ag掺杂ZnO晶体的高压相变行为,揭示了元素掺杂对ZnO纳米晶体材料结构性能的影响。研究首先采用水热法辅助制备纯ZnO纳米微球和Ag掺杂ZnO纳米微球（1∶150Ag/ZnO）,表征结果显示水热法合成的纯ZnO和1∶150Ag/ZnO均为六角纤锌矿晶体结构,形貌均为几十纳米尺寸小颗粒堆积形成的微球,ZnO晶格常数随着Ag离子掺杂而变大,Ag掺杂导致ZnO晶格膨胀。随后应用金刚石压腔结合原位拉曼光谱技术测定了纯ZnO和Ag掺杂ZnO的高压结构相变行为。相比于纯ZnO拉曼峰,Ag掺杂ZnO的E₂（high）振动模式439 cm-1拉曼峰峰宽变窄,并呈现向低频方向移动的趋势,与无定形ZnO谱峰相近,表明Ag+取代Zn2+影响了Zn-O键,同时也影响了ZnO晶格结构的长程有序性。随体系压力增大,表征六角纤锌矿结构ZnO的拉曼特征峰439 cm-1出现瞬间弱化和宽化。压力增大至9.0 GPa时,纤锌矿结构ZnO拉曼特征峰439 cm-1消失,585 cm-1处出现新峰,ZnO晶体发生由六角纤锌矿向岩盐矿的结构转变。压力继续增大至11.5 GPa,新的拉曼峰显著增强,峰形变窄,同时向高波数方向移动,相变完成,岩盐矿结构ZnO性能稳定。1∶150 Ag/ZnO从六角纤锌矿结构到立方岩盐结构的相变压力为7.2 GPa,低于纯ZnO。相变压力降低表明晶体结构稳定性下降,可能的原因在于掺杂Ag导致ZnO晶格膨胀,晶体结构松弛,两相相对体积变化增加,从而导致相变势垒降低,使样品在较低压力下发生相变。纳米材料的高压研究揭示了元素掺杂对材料结构稳定性的影响,是纳米材料调控原理的潜在研究手段。     

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...     

CdSe在高压下的电学性质及相变

 利用在金刚石压砧上集成的微电路,原位测量了CdSe多晶粉末在温度为300~450 K、压力达到23 GPa时电阻率随温度和压力的变化关系。实验结果表明：在加压过程中,电阻率在2.6 GPa压力时出现的异常改变,对应着CdSe从纤锌矿向岩盐矿结构的转变,而在6.0、9.8、17.0 GPa等压力处出现的电阻率异常,则是由CdSe中的电子结构的变化所引起的;在卸压过程中,只在约14.0和3.0 GPa压力下观察到了两个电阻率异常点。通过对电阻率随压力变化曲线的模拟,得出了CdSe高压相的带隙随压力的变化关系,据此预测CdSe金属化的压力应在70~100 GPa之间。变温实验结果表明,在实验的温度和压力范围内,CdSe的电阻率均随温度的增加而升高。     

ZnS电子结构及电性能应力效应的研究

基于广义梯度近似平面电子波函数密度泛函理论计算的方法研究了无压力下和在1 GPa外压应力下闪锌矿结构ZnS的能带结构、电子状态密度、结合状况和介电性能。结果表明在外加1 GPa压力时闪锌矿结构ZnS晶格常数由2.7605减小到2.7049,对称性不变.在外压1 GPa应力下ZnS仍呈直接带隙的能带结构,带隙宽度较未加压力时减小到1.698 e V.在外加1 GPa压应力下ZnS费米能附近的载流子浓度大大增加,更容易发生跃迁而产生电迁移和光电现象。外加1 GPa压力时Zn-S键长由2.3905减小到2.3405,Zn-S成键数量由1.820个增加到1.860个.ZnS硫化物在紫外和可见光波段主要存在四个介电吸收峰,外加1 GPa压应力下位于170 nm和210 nm附近的直接跃迁介电吸收峰强度降低.     

氮化铝纳米线的高压同步辐射研究

利用金刚石对顶砧和同步辐射光源,对用电弧法制备的、具有纤锌矿结构的氮化铝(AlN)纳米线进行了最高压力达51.1 GPa的原位角散X射线衍射研究。结果表明:当压力上升至24.9 GPa时,纤锌矿结构的AlN纳米线开始向岩盐矿结构转变;当完全卸压后,最终的岩盐矿结构被保留下来;纤锌矿AlN纳米线的轴向比例c/a随压力增加而线性减小。AlN纳米线独特的线状结构决定了其区别于AlN微晶和AlN纳米晶的高压行为。     

高压下铁的电导率及X射线衍射研究

 用四点电极法及磁控溅射结合光刻集成电极的方法，测量了铁在25 GPa压力下的电阻随压力的变化；用微区X射线衍射仪原位测量了铁在25 GPa压力下晶胞参数随压力的变化关系。实验结果表明，铁在13.7 GPa时发生相变，由体心立方相转变为六方密堆相，在18.1 GPa时相变结束。利用高压下铁的电阻数据，结合X射线衍射结果，推导出铁的电导率随压力的变化关系。