氧化镁晶体微观结构、力学性质及超高压物性的研究

MgO is one of the major earth-forming minerals with a NaCl-type structure. A wide range of the NaCl-type structural stability suggests that MgO as an ideal pressure standard in high pressure experiments, as well as a linkage to understand the complicate oxides and silicides. This project intends to investigate MgO as will as Fe and Al ions doped MgO and MgSiO3 in shock wave experiments. It will construct the relation between the microscopic structure and the physical properties, the pressure dependence of mechanical and optical properties. The results will provide insights to the possibility of using the MgO as a window material in shock wave experiments, and build up a reliable thermal dynamical transport model. The proposed project will provide database and modeling to geography and high pressure science, improve the understanding on the earth evolution as well as the detonation physics.

MgO是构成地球下地幔的主要矿物质之一，也是结构简单的最为稳定的氧化物之一，因此成为人们探索高温高压极端环境下材料物性的理想材料，也是人们认识更为复杂的氧化物和硅化物等地球组分的桥梁。本项目拟研究MgO及其含铁离子和铝离子MgO与MgSiO3矿物材料在冲击压加载条件下的物性，建立MgO微观结构与宏观物性的对应关系，从实验和理论两方面探讨力学性质、光吸收谱性质随压力的变化规律，探索MgO等离子晶体用作冲击波动态窗口材料的可能性，建立更为准确的热力学输运模型。 本项目研究可望从材料物理角度为高压科学以及地学提供数据和模型支持，加深人们对地幔演化以及炮轰过程的理解。

MgO是构成地球下地幔的主要矿物质之一，也是结构最为简单和稳定的氧化物之一，因此成为人们探索高温高压极端环境下材料物性的理想材料，也是人们认识更为复杂的氧化物和硅化物等地球组分的桥梁。本项目结合实验和理论研究了MgO单晶、含铁（铝）MgO矿物以及MgSiO3钙钛矿在冲击压加载条件下的行为，包括：1) MgO单晶高压微观结构的表征与弹塑性变形、Hugoniot状态方程、冲击发光、缺陷吸收光谱等动力学性质，理论结合实验模拟了V-色心结构和特征吸收峰以及MgO在动态条件下的缺陷动力学行为；2) 研究含铁（铝）离子MgO的动态特性及其结构和自旋相变。取得的主要结果如下：指出MgO在两个晶向<100>和<110>的弹塑性转变模式不同，表现出各向异性；获得了MgO单晶在冲击压下的显微结构实时变化图像；发现在冲击压缩下MgO单晶内部产生的绝热剪切带与其弹塑性变形过程的演化密切相关；观测到由变形产生的V心的光谱随压力变化出现蓝移现象；制备出高质量含铁离子MgO样品，发现(Mg0.9Fe0.1)O纵波声速和体波声速在相变区显明显降低；大规模分子动力学模拟了MgO沿[100]轴向在冲击压作用下的弹塑性形变行为，发现MgO冲击出现双波结构，肖特基缺陷会降低HEL，导致MgO出现双屈服现象；正确描述了V心缺陷结构，理论模拟得到了与实验一致的V心光学吸收峰随压力的变化关系；提出Fe的真实分布是影响Fe自旋态的压力转变区间的重要因素。通过本项目研究，建立了冲击压下MgO微观结构与宏观物性的对应关系，实现了高压微结构实时表征技术，理解了缺陷演化过程，并从材料物理角度为高压科学以及地学提供数据和模型支持，加深人们对材料动态变形行为以及下地幔性质的理解。