高压下V-VI族化合物半导体材料的结构相变和物性

Semiconductors have widely been applied in energetic, optoelectronic fields and light detection devices. The high-pressure structural phase transition and phase stability of V-VI group semiconducting compounds has been focused in the high-pressure science. At present,the study of V-VI family compoud have been limited on the preparation of nanometer materials, the high pressure research also seldom reported.The physical mechanism of the high-pressure phase transition and the determination of crystal structure are long-puzzling.Many novel phenomenon cannot be explained.In this project, the high-pressure structural phase transition of semiconducting materials in V-VI group compounds will be systematically studied by in situ high-pressure X-ray diffraction, high-pressure electrical measurement technology, and ab initio principle calculation. The high-pressure metallized and possible pressure-inducing superconductive phenomenon will be explored.The project will focus on determining the structure of high-pressure phase for V-VI group compounds and discovering the physical mechanism of the high-pressure phase transition. This work is helpful to understand the mechanism of electricity-phonon interaction and provid the important experiment data and theoretical reference .

半导体化合物材料在能源、光电子、光探测等方面具有广泛的应用前景，具有半导体性质的V-VI族化合物的高压结构相变与相稳定性研究已成为当今凝聚态物理的重要前沿课题之一。目前，V-VI族化合物的研究多局限在纳米材料的制备上，对其高压研究也少有报道，在高压相变产生的物理机制和高压新相的结构确定等方面问题一直处于令人费解的状态，导致许多高压下的新奇现象无法解释，如压致超导、压力提高材料的热电性能等。本项目拟采用原位高压X射线衍射、原位高压电学等实验技术手段，结合第一性原理模拟，系统研究V-VI族半导体材料的高压结构相变，高压新相的结构确定，探索高压金属化和可能的压致超导现象，结合理论计算揭示高压相变产生的物理机制，为认识高压下半导体化合物材料相变的机制与规律提供实验依据和理论支持，为解释高压下的新奇现象奠定知识储备。

半导体化合物材料在能源、光电子、光探测等方面具有广泛的应用前景，具有半导体性质的V-VI族化合物的高压结构相变与相稳定性研究已成为当今凝聚态物理的重要前沿课题之一。目前，V-VI族化合物的研究多局限在纳米材料的制备上，对其高压研究也少有报道，在高压相变产生的物理机制和高压新相的结构确定等方面问题一直处于令人费解的状态，导致许多高压下的新奇现象无法解释，如压致超导、压力提高材料的热电性能等。同时，近年来由于α-Bi2Se3, α-Bi2Te3和α-Sb2Te3被发现是三维的拓扑绝缘体，再一次激发了人们对A2B3系列化合物的研究兴趣。.本项目按照计划对V-VI族典型半导体材料Ag2Te、As2Te3、Bi2Se3、Bi2S3和Sb2S3等进行了原位常温高压X射线衍射，结合Rietveld Refinement技术精修实验数据；利用基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术，预测了部分材料的高压新相的结构。采用成熟的金刚石压砧高压电学测量技术，进行高压下的输运特性和电子结构相变研究，探索高压金属化行为。.原位高压电输运性质研究发现，在5GPa时，Bi2Se3的霍尔系数明显的异常暗示着拓扑相变的发生；不同温度下电阻的测量显示在9.7GPa下，随着压力的增加绝缘态的Bi2Se3变得逐渐稳定，但是高于9.7GPa时，Bi2Se3完全进入到金属态，由于金属化的发生，拓扑性质消失。 Ag2Te作为一个重要的拓扑绝缘体，其高压原位X射线衍射实验、高压原位电阻率测试以及第一性原理计算研究发现在1.8 GPa时拓扑绝缘体Ag2Te经历了电子拓扑相变；高压原位X射线衍射实验研究发现该物质在2.2 GPa和11.3 GPa左右经历了两次晶体结构相变，高压结构相变顺序为：P21/c 到 Cmca 到 Pnma。 我们还发现α-As2Te3晶格参数的压缩比在7 GPa附近发生明显改变，由此我们判断，在7 GPa附近α-As2Te3可能发生了电子拓扑相变，使得α-As2Te3的热电性能发生显著的变化；高压下结构分析表明：As2Te3在36.3 GPa压力下经历了一个可逆的结构相变，α-As2Te3由常压单斜相(C2/m, α-As2Te3)转变为与γ-Bi2Te3同构的高压单斜相(C2/c, γ-As2Te3)，高压下α-As2Te3罕见的拓扑性质，有助于深入理解A2B3系列化合物的高压相变机制。