新型功能碳材料的高压截获

高性能功能材料在诸多领域具有广泛的应用前景,是人们一直关注的研究热点。高压可以有效地改变物质的原子间距和成键方式,是获得新型功能材料的重要途径。在碳材料的高压研究中,许多有趣的功能碳材料,如光学透明碳、高强度弹性碳和超硬非晶碳等,已经通过不同的碳前驱体合成。本文简要介绍了作者近年来在低维碳基纳米复合材料高压研究中取得的进展,基于设计的不同低维碳前驱体,高压下截获了具有超硬特性、新型压致共价聚合及发光增强的碳材料。     

压致响应碳基晶体材料的设计与构筑

材料在压力作用下可出现不同的响应行为,如硬化、压缩性、光学性质改变等,依此设计出具有优异力学、机械以及发光性能的材料,是设计新型功能材料的重要途径.本文将介绍课题组近年来在新型压致响应功能晶体材料研究中取得的进展,基于碳及碳骨架分子,设计不同的碳基分子共晶,利用高压技术,设计构筑出系列具有潜在超硬特性、负体积压缩性的材...     

金刚石单晶高温高压合成中氮对硫的影响

为了研究在金刚石大单晶生长过程中氮对硫的影响,在6.5 GPa高压条件下采用温度梯度法分别研究了两种不同合成体系中金刚石的合成.利用傅里叶显微红外光谱(FTIR)仪对所合成的金刚石进行了测试,测试结果表明:晶体中(a)中不含有氮,晶体中(b)中氮的浓度为280 ppm.此外,对所合成的样品进行了X射线光电子能谱测试,测试结果表明:在Ib型金刚石中有硫元素存在,而硫未进入到IIa型金刚石中.因此,金刚石中氮的存在对金刚石中硫的进入有促进作用.     

Anomalous Up-and-Down Variation of Positron Lifetime Near Tc in High-temperature Superconductors

The temperature dependence of the positron lifetimes in the polycrystalline high T_c superconducting Y Ba Cu O and Bi Sr Ca Cu O and the non-superconducting Y Ba Cu O have been investigated by using the position lifetime technique. It is found from the experiments that there is an evident temperature dependence for the two kinds of superconducting samples but no temperature dependence for non-superconducting sample. It is important that the anomalous up-and-down variation of positron lifetime near T_c has been observed in the measured superconducting samples. We suggest that this strange temperature dependence of the positron lifetimes near T_C may result from some changes induced by the phase transition.     

Pressure Dependence of the Electromechanical and Vibrational Properties of Pentaerythritol

The elastic, piezoelectric and dielectric constants of pentaerythritol, C (CH₂OH)₄, (PET) have been computed as a function of pressure employing the structural data of KATRUSIAK and the lattice dynamical model of RAMAMOORTHY and KRISHNAMURTHY. Using these electromechanical constants, the Young's modulus, the linear compressibility, the bulk modulus and the acoustic wave velocities are computed for various high pressures. The pressure dependence of the vibration spectrum of PET using rigid and non‐rigid lattice models is also obtained. The anomalous variation of these electromechanical and other physical quantities predict the most probable pressure for phase transition in PET to be around 280 MPa. The mechanism of the transition and the variation in the physical behaviour accompanying the transition are discussed.     

过渡金属轻元素化合物的高温高压制备

过渡金属轻元素化合物（TMLEs）由于具备高硬度,高熔点,优异电学、磁学、超导等性质受到广泛关注,是一类 具有优异力学性能的功能性材料。优异力学性能与功能性的结合使TMLEs成为极端环境下使用的特种材料。然而, TMLEs的制备往往需要高温高压（HPHT）极端实验条件来克服能垒。目前,已经有了大量HPHT制备TMLEs的报道, 然而,多数只关注产物的性质,对在HPHT下TMLEs的生长机制报道较少。因此,总结HPHT制备的TMLEs,分析TMLEs的晶体生长过程,对理解TMLEs的晶体生长机理、探究新型 TMLEs的制备具有重要意义。结合本课题组研究 经验及其他相关文献,总结了HPHT方法制备的过渡金属硼化物（TMBs）、碳化物（TMCs）和氮化物（TMNs）的晶体生 长情况,分别从起始原料、温压条件、晶体形貌等方面分析了TMLEs的生长机制。总结如下：通过原料配比和温度控 制是制备TMBs单一相的关键,提出硼亚结构单元是使TMBs形成台阶式生长模式的本质因素,碳源和氮源的选择决 定了 TMCs和TMNs的生长机制。同时提出,缺少利用HPHT制备TMLEs毫米级单晶的报道,限制了TMLEs部分本 征的性质探究;并且,新型高轻元素含量的TMLEs结构依然有待开发。随着人类对材料的要求越来越苛刻,以及TMLEs的不断发展,TMLEs将在未来特种材料领域具有不可替代的地位。     

高压对Ti2AlX(X=C,N)结构、弹性和电子性质的影响

采用第一性原理方法,对比研究了Ti2AlC和Ti2AlN在高压下的结构、弹性和电子性质.结果表明,Ti2 AlC和Ti2AlN的品格常数a、c和体积V均随着外压的增大减小,但二者变化规律略有不同,都体现了材料的各向异性.通过对弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量等弹性性质的分析,发现它们均随外压的增加而增大,并验证了Ti2AlC和Ti2AlN在0～50 GPa范围内的力学稳定性.此外,还从电子态密度的角度考察了Ti2AlC和Ti2AlN的电子性质,认为它们均具有共价键和金属键的双重特性,并发现在0 ～ 50 GPa范围内压力对态密度影响较小.本文计算结果与已有实验值和理论值吻合较好.     

工作气压对磁控溅射ITO薄膜性能的影响

工作气压在ITO薄膜的制备过程中是一个重要的工艺参数,直接决定着薄膜的性能.本文利用射频磁控溅射方法,采用氧化铟锡陶瓷靶材,在衬底温度为175℃,工作气压范围为0.45～1.0 Pa条件下,制备了氧化铟锡透明导电薄膜.研究了工作气压对其微观结构、表面形貌和光电特性的影响.在衬底温度为175℃、纯氩气中制备的氧化铟锡薄膜电阻率为3.04 ×10-4 Ω·cm、可见光波段(400～800 nm)透过率为91.9;,适合用作异质结太阳电池的前电极和减反射膜.     

Some Properties of the (TMTSF)2X Superconductors

Measurements of the anisotropy of the critical field in (TMTSF)₂X superconductors are presented. The results show that the a axis H_c2 is Pauli limited based on a T_c near 1K. The large energy gap obtained from tunneling data is therefore thermodynamically untenable in terms of the present critical field studies and the superconductivity is singlet rather than triplet. Moreover, we find that low levels of irradiation induced defects eliminate the superconductivity in the ClO₄ and PF₆ salts and leave the thermopower of the ClO₄ salt below 100K unchanged. These results are incompatible with the proposal for 1D superconducting fluctuations below 40K. A discussion of the arguments for and against the occurance of superconducting fluctuations in the (TMTSF)₂X salts is given with emphasis on the role of interchain interactions and other possible interpretations of the tunneling data.     

高温高压下Z轴水晶的电导率实验研究

电导率测量的过程历经了从直流一交流一阻抗谱的过程,已经为地球物理学家借助于高温高压手段研究固体深部物质电学性质所广泛认同的.本文首先介绍了阻抗谱法测定水晶电导率的实验原理,进而采用该方法在10-1～106Hz的频率范围以及1.0～4.0GPa和823～1073K条件下,借助于YJ-3000t紧装式六面顶高压设备对沿Z轴方向生长的水晶进行了的电导率实验就位测量.实验结果表明:在选择的频率范围,样品的复阻抗的模和相角都对频率具有很强的依赖性;随着温度的升高,电阻迅速降低,电阻率降低,电导率增大;在压力1.0～4.0GPa,其活化焓分别为:0.8548eV、0.8320eV、0.8172eV、0.7834eV,独立于温度的指前因子分别为:1.003S/m、1.778S/m、3.082S/m、6.987S/m,活化焓随着压力的升高而降低,指前因子随着压力的升高而增大.     

高压对C掺杂碱土金属硫化物磁性的影响

采用第一性原理的平面波赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),分别计算了在常压和高压下,C掺杂碱土金属硫化物X4CS3(X =Ca,Sr和Ba)的磁矩,体积和总能量随压强的变化情况以及Ca4CS3的能带结构和电子态密度.结果表明,随着压强的增大X4CS3的铁磁性减弱最终发生磁相变由铁磁态(FM)转变为非铁磁态(NM).磁性相变主要原因是由于阴离子p态能带的增宽所导致的磁性坍缩.     

高热导率Si3N4陶瓷的高压合成及性能研究

在高温高压条件下(HPHT,4 ～5 GPa,1430 ～1530℃),采用高压烧结技术,利用Y2O3、MgO作为烧结助剂,通过和不同质量配比的氮化硅(a-Si3N4,β-Si3N4)粉体复合,制备了具有高热导率和高致密性的Si3N4陶瓷.本实验采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱EDS、热导率测定仪、维氏硬度计对样品进行了分析和表征,研究了压强、烧结温度、保温时间对热导率和致密性的影响.结果 表明:超高压条件有效降低了烧结温度,缩短了烧结时间.当烧结条件在5 GPa,1490℃,1h时,其硬度为16.5 GPa,此时β-Si3N4复合陶瓷的致密化最优,气孔率(0.26;)和晶格缺陷显著改善.研究发现适当的延长烧结时间可以促进晶粒正常长大,同时产生较高的热导率,最高可达到64.6W/(m· K).     

高温高压退火对碳化硅性能的影响

以CVD生产的碳化硅为原料在高温高压下进行退火处理,探究退火温度对碳化硅性能的影响.实验结果表明:随着退火温度的增加,碳化硅的颜色由浅绿色变为无色;体积有明显的缩小、密度增加;退火后碳化硅的抗压强度显著增强,机械强度有所增加;退火后的SiC结构并没有发生变化,15R-SiC在798.6 cm-1处拉曼峰强度减少,4H-SiC在970 cm-1拉曼峰强度有所增强.     

高压13.56MHz PECVD法沉积器件质量级本征微晶硅材料

本文国内首次报道了采用高压RF-PECVD技术沉积本征微晶硅材料的结果.实验表明,增大等离子体激发功率和减小硅烷浓度都能够使薄膜材料由非晶硅逐渐向微晶硅转变,而结构上的改变使得电学特性也随之改变.通过工艺参数的优化和纯化器的使用,有效地控制了氧的掺杂,在较高的生长速度下得到了器件质量级的本征微晶硅材料.将实验得到的微晶硅作为太阳电池光吸收层,在没有ZnO背电极和没有优化窗口层材料以及p/i界面时,电池的效率达到5.22;,这进一步表明本征微晶硅材料的良好性能.     

Phase Transitions of Urea Adducts with n-Paraffins under High Pressure

The temperatures of the phase transition between orthorhombic and hexagonal structures of the urea adducts with n-paraffins, n-C_nH_2n+2 (n = 14–44), have been measured by differential thermal analysis for the pressure range up to 250MPa. The transition temperatures increase both with pressure and with the number of carbon atoms of the guest paraffins. The increasing rate of the transition temperatures with pressure is about half of that of pure paraffin crystals. The pressure dependences of the lattice constants have also been measured by X-ray diffraction. The specific volume changes discontinuously at the transition pressure; the result suggests that the phase transition of the urea adducts with n-paraffins is a first-order one. Furthermore, the specific volume change at the transition pressure decreases with the number of carbon atoms of the guest paraffins; 3.4 × 10-⁶ m³/Kg for n = 16 and 2.1 × 10-⁶ m³/Kg for n = 44.     

Li原子掺杂C28单分子器件的热自旋输运性质

利用第一性原理对Li原子掺杂C₂₈的分子器件的热自旋输运性质进行了计算。在不同的温度场下,上下自旋分别为Li原子掺杂C₂₈的分子器件中的空穴和电子提供了输运通道,在MJ₁和MJ₃分子器件中,热自旋电流随着温度增加而增大,但在MJ₂分子器件中,热自旋电流先增大再减小。三种分子器件都出现了自旋塞贝克效应,MJ₂还出现了负微分电阻现象,利用费米-狄拉克分布和自旋输运谱对其物理机理进行了解释。根据Li掺杂C₂₈的单分子器件的热自旋输运性质,可设计新的自旋纳米器件。     

AgAlSe2晶体高压相变的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法,研究了黄铜矿结构AgAlSe₂在高压下的晶体结构、晶格动力学稳定性与电子结构.结果显示:在0 GPa时AgAlSe₂的晶格参数与实验值吻合,在13.9 GPa附近,质量密度、Se-Ag键长、Se-Al键长、晶格常数a突然增大,相对晶胞体积V/V₀、晶格常数c突然减小,声子谱出现虚频,结构变得不稳定,带隙发生突变,数值呈减小趋势.表明AgAlSe₂晶体在13.9 GPa附近发生结构相变.该研究为AgAlSe₂晶体在理论上所能承受的高压提供信息支撑.     

氧分压对ZnO纳米结构的形貌及光学性能的影响

利用未采用催化剂的真空热蒸发法合成了不同形貌的硅基ZnO纳米结构,研究了氧分压对纳米ZnO结构及光学性能的影响.研究结果表明氧分压对ZnO纳米结构的形貌及光学性能具有明显的影响,在氧分压为25;、10;和5;时制得的纳米ZnO结构分别为纳米线、纳米带和纳米梳.X射线衍射测试表明制得的不同ZnO纳米材料均为六方纤锌矿结构,并具有明显的c轴择优取向性.采用PL谱对制备纳米结构的光学性能进行了测试.     

Determination of Nucleation Parameters of YBCO from High Temperature Solution

The growth kinetics of YBCO single crystal from high temperature solution of YBCO-BaO/CuO solute-solvent system has been studied. Based on regular solution model and classical nucleation theory the thermodynamical data investigated for the system are used to determine the nucleation parameters: interfacial energy, metastable zone-width (supercooling temperature), free energy change, critical nucleation radius etc. which leads to the understanding of the nucleation phenomena of YBCO.     

高压下ReB2的结构特性及弹性性质

本文采用密度泛函理论中的赝势平面波法计算了ReB₂的P6₃/mmc晶体结构(即hP6-ReB₂)的结构特性及弹性性质。在计算了hP6-ReB₂的平衡结构参数后,从热力学、动力学及机械力学三方面验证了其结构稳定性。研究发现,hP6-ReB₂在高压下的弹性系数、各个弹性模量均随压强的增加而增大。泊松比显示hP6-ReB₂表现为脆性。三种类型的弹性波随压强的变化趋势显示hP6-ReB₂为弹性各向异性晶体。经估算,hP6-ReB₂结构的维氏硬度约为38.2 GPa。电子态密度揭示了hP6-ReB₂的Re—B和B—B之间存在着强共价键,并且随着压强的增加共价键逐渐增强。