高压下铜硫化合物的结构相变与物性研究

As a well-known and typical P-type semiconductor material, copper sulfides have attracted great interest in many potential application fields from energy storage field to photoelectric field because of their excellent properties. Materials show abundant structural phase transitions and novel physical properties in extreme conditions, especially present the metallization and superconductivity. Combining high pressure technology and electrical measurement method, to explore the pressure-induced phase transition and new electrical properties, it is important for further development and utilization in application fields. In this proposal, we focus on the exploration of the high pressure induced structural phase transformations and the electrical properties in copper sulfides by synchrotron X-ray diffraction, Raman spectroscopy and in-situ high pressure electrical measurement in the diamond anvil cell. We aim to obtain the structural evolution process and study the electrical properties of copper sulfides under high pressure. We also focus on the exploration of the potential occurrence of pressure-induced metallization and superconductivity in copper sulfides under ultrahigh pressure, and establish the physical phase diagram of crystal structure and electrical behavior under the pressure and temperature. These experimental explorations of copper sulfides in this project not only can contribute to further understanding of the structure and properties in copper sulfides, but also have important significance for the design of functional materials, performance improvements, and the future utilization.

铜硫化合物作为典型的P型半导体材料，在能量储存、光电等领域都具有重要应用。材料在高压极端条件下表现出丰富的结构相变和新奇的物理特性，尤其是压致金属化和超导电性。将高压技术和电学测量相结合，研究铜硫化合物的结构相变和新型导电特性，对其进一步开发和利用具有重要意义。本项目利用金刚石对顶砧技术，结合同步辐射X射线衍射，拉曼光谱和原位高压电学测量等多种实验手段对铜硫化合物开展研究，获得其高压下的结构演化过程，测量高压结构的电学性质。通过探究高压下丰富的结构相变，以及新结构带来的特有的电学性质，探索铜硫化合物中极端压力诱发的金属化相变，以及进一步实现超导转变的可能性，建立其晶体结构和电学行为在压力、温度下的直观物理图像。以上工作的完成，对深入了解铜硫化合物的结构和电学性质，以及功能材料的设计、性能的提升和应用，具有重要意义。

金属硫铜化合物是一类非常丰富的矿产资源，同时，作为一类重要的p-型半导体材料，由于他们在组分、晶体形貌、晶体结构、化学价态等方面的多样性，使得此类化合物具有优良的光电性质，在太阳能电池、电极材料、传感器和超导体等方面具有潜在的应用价值。特别地，材料在高压极端条件下呈现出丰富的结构相变和新奇的物理化学性质。高压下获得此类化合物的新结构以及新性质仍存在巨大的挑战。在本项目中，利用金刚石对顶砧装置，结合高压X射线衍射实验和原位高压电阻测量实验，对铜硫化合物CuxS (x=2.0，1.98，1.97)进行了实验研究。实验结果表明，CuxS系列化合物在高压下经历三次结构相变，由初始的单斜相依次转变为高压单斜相I，高压单斜相II和新型结构相III。其中，相III是观测到的此类化合物的一个高压新相。原位高压电学测量实验结果表明，在压力/温度作用下，CuxS材料表现为非金属特性。通过对比研究发现，CuxS系列化合物 (CuxS, x=2.0，1.98，1.97)在高压下具有相似的压缩行为。本项目的研究，大大丰富了此类化合物的相图，不仅对于探讨和认识铜硫化合物的相变动力学过程和性质变化具有重要的指导意义，为功能材料的设计和应用提供坚实的理论基础。