高压下的晶界性质与行为

It is self-evident that the grain boundaries play an important role in the physical system composed by crystalline particles. The interaction of grains across a grain boundary can produce a new function and property which individual grains never have. Today，to design and control the grain boundaries has become an important method to get materials with excellent and desirable bulk properties that have cannot be achieved in conventional materials. Compression can deduce the distances of atoms in crystalline particle and make the changes in structural and physical properties. At the same time, the interaction of grains across a grain boundary can also be changed, which results in a series changes in grain boundary characteristics. Therefore, to force grain boundary chenge by extreme compression and then to capture the information that comes from grain boundary during its formation and structural change process with effective method, is the best way to reveal the properties, evolution of grain boundary under high pressure and determine the grain boundary effect on bulk structure and nature. In this study, typical element and compound semiconductor, and typical perovskite dielectric crystalline particles will be focused on. Some powerful in-situ measurment methods based on diamond anvil cell under high pressure will be used and the structrure evolution, the electrical transport and the dielectric response of grain boundary under compression will be chracterized. The grain boundary effect on the electrical conductivity, dielectric constant, carrier mobility and its concentration will be studied and discussed. Our purpose is, from multiple perspecttives, to get detailed understand of grain boundary issue itself and its effect on the bulk structure and nature under high pressure.

在由晶体颗粒构成的物理体系中，晶界的作用非常关键。晶体的物理性质在晶界上突变，能导致体系出现完全不同于单晶的新功能和新性质。控制和设计晶界，已经成为制备具有优异性质和新功能材料的重要途径。压力能够改变原子间距，引起晶体结构和物理性质的变化，同时也会改变晶粒间的相互作用，导致晶界结构和性质的改变。利用压力干预晶界的相互作用，采取有效方法在晶界形成和变化中捕捉晶界信息，能够发现晶界的本质特性、变化规律，揭示晶界与宏观性质的联系。本项目将以典型的元素半导体、化合物半导体和钙钛矿介电晶体为研究对象，参照化学式和晶粒尺度序列，采用基于金刚石对顶砧的高压原位物理量测量方法，系统研究晶界结构、电输运行为和介电响应随温度压力的变化特征和规律，从晶界结构、电导率、介电常数、迁移率和载流子浓度等与晶界效应密切相关的物理量入手，从多角度认识晶界在压力作用下的结构、物理性质的变化规律及在整体性质中的贡献和机制。

在由晶体颗粒构成的物理体系中，晶界的作用非常关键。晶体的物理性质在晶界上突变，能导致体系出现完全不同于单晶的新功能和新性质。控制和设计晶界，已经成为制备具有优异性质和新功能材料的重要途径。压力是将细小晶体制备成体材料的热力学条件，能够引起晶体结构和物理性质的变化，改变晶界结构和性质，最终决定材料的性质。利用压力干预晶界的相互作用，发现晶界在压力作用下的变化规律，揭示晶界与宏观物理性质的联系对于凝聚态物理和材料科学都是重要的研究课题。本项目对半导体与介电粉晶、纳米低维材料为研究对象，从晶界密度与结构表征以及电导率、阻抗谱、介电常数、载流子行为等与晶界作用密切相关的物理量的高压原位测量入手，系统研究了高压下这些体系的物理性质随压力的变化以及其中的晶界效应，发现了系列新现象、新规律和新效应。.压力会导致粉晶体系晶粒细化，引起晶界密度增大；晶粒会以旋转的方式释放因挤压产生的应力并形成新的晶界，使体系的各向同性得到明显改善；晶界会出现压致重构使载流子在晶界处的输运行为发生改变；晶界处被发现会形成类pn结的空间电荷势或双肖特基势垒。多数粉晶体系、纳米体系和二维晶体都存在晶界效应。对于微晶和纳米晶，晶界会导致相变压力、载流子行为和各种能量的改变，导致体系宏观物理性质发生变化；压力导致的晶界重构会显著降低介电损耗；晶体的介电响应被发现会由晶界完全决定。对于二维层状材料，压力导致的层间滑移以及层面扭曲会导致新的物理效应出现。如层状In2Se3中的层间滑移会导致新类型的等结构相变，新发现的反常超导扩展效应也与层间滑移和扭曲相关；ReS2被发现在压力作用下发生层间无序堆垛到有序堆垛的相变，这对于层状材料层间排列有序化提供了有价值的启示。.以上研究结果揭示了晶界在压力作用下的形成、演化规律以及晶界与材料宏观性质之间的联系，所获得的研究结果对凝聚态物理和材料物理研究有参考价值，也对材料物理性质设计、控制以及材料加工工艺有参考价值。