高壓下V-VI族化合物半導體材料的結構相變和物性

《高壓下V-VI族化合物半導體材料的結構相變和物性》是依託吉林大學，由馬艷梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高壓下V-VI族化合物半導體材料的結構相變和物性
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馬艷梅
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

半導體化合物材料在能源、光電子、光探測等方面具有廣泛的套用前景，具有半導體性質的V-VI族化合物的高壓結構相變與相穩定性研究已成為當今凝聚態物理的重要前沿課題之一。目前，V-VI族化合物的研究多局限在納米材料的製備上，對其高壓研究也少有報導，在高壓相變產生的物理機制和高壓新相的結構確定等方面問題一直處於令人費解的狀態，導致許多高壓下的新奇現象無法解釋，如壓致超導、壓力提高材料的熱電性能等。本項目擬採用原位高壓X射線衍射、原位高壓電學等實驗技術手段，結合第一性原理模擬，系統研究V-VI族半導體材料的高壓結構相變，高壓新相的結構確定，探索高壓金屬化和可能的壓致超導現象，結合理論計算揭示高壓相變產生的物理機制，為認識高壓下半導體化合物材料相變的機制與規律提供實驗依據和理論支持，為解釋高壓下的新奇現象奠定知識儲備。

結題摘要

半導體化合物材料在能源、光電子、光探測等方面具有廣泛的套用前景，具有半導體性質的V-VI族化合物的高壓結構相變與相穩定性研究已成為當今凝聚態物理的重要前沿課題之一。目前，V-VI族化合物的研究多局限在納米材料的製備上，對其高壓研究也少有報導，在高壓相變產生的物理機制和高壓新相的結構確定等方面問題一直處於令人費解的狀態，導致許多高壓下的新奇現象無法解釋，如壓致超導、壓力提高材料的熱電性能等。同時，近年來由於α-Bi2Se3, α-Bi2Te3和α-Sb2Te3被發現是三維的拓撲絕緣體，再一次激發了人們對A2B3系列化合物的研究興趣。 本項目按照計畫對V-VI族典型半導體材料Ag2Te、As2Te3、Bi2Se3、Bi2S3和Sb2S3等進行了原位常溫高壓X射線衍射，結合Rietveld Refinement技術精修實驗數據；利用基於粒子群最佳化算法的晶體結構預測技術，預測了部分材料的高壓新相的結構。採用成熟的金剛石壓砧高壓電學測量技術，進行高壓下的輸運特性和電子結構相變研究，探索高壓金屬化行為。 原位高壓電輸運性質研究發現，在5GPa時，Bi2Se3的霍爾係數明顯的異常暗示著拓撲相變的發生；不同溫度下電阻的測量顯示在9.7GPa下，隨著壓力的增加絕緣態的Bi2Se3變得逐漸穩定，但是高於9.7GPa時，Bi2Se3完全進入到金屬態，由於金屬化的發生，拓撲性質消失。 Ag2Te作為一個重要的拓撲絕緣體，其高壓原位X射線衍射實驗、高壓原位電阻率測試以及第一性原理計算研究發現在1.8 GPa時拓撲絕緣體Ag2Te經歷了電子拓撲相變；高壓原位X射線衍射實驗研究發現該物質在2.2 GPa和11.3 GPa左右經歷了兩次晶體結構相變，高壓結構相變順序為：P21/c 到 Cmca 到 Pnma。 我們還發現α-As2Te3晶格參數的壓縮比在7 GPa附近發生明顯改變，由此我們判斷，在7 GPa附近α-As2Te3可能發生了電子拓撲相變，使得α-As2Te3的熱電性能發生顯著的變化；高壓下結構分析表明：As2Te3在36.3 GPa壓力下經歷了一個可逆的結構相變，α-As2Te3由常壓單斜相(C2/m, α-As2Te3)轉變為與γ-Bi2Te3同構的高壓單斜相(C2/c, γ-As2Te3)，高壓下α-As2Te3罕見的拓撲性質，有助於深入理解A2B3系列化合物的高壓相變機制。