發(fā)布時間：2020-08-08 20:11

【摘要】：本論文運用原位高壓同步輻射X射線衍射、高壓拉曼、高壓電輸運性質(zhì)測量等高壓實驗技術(shù)，結(jié)合第一性原理模擬計算，系統(tǒng)地研究了高壓條件下SnS、SnTe、In2Se3及Alq3的結(jié)構(gòu)和電輸運性質(zhì)，給出了電輸運性質(zhì)與結(jié)構(gòu)性質(zhì)的相互依賴關(guān)系，討論了相關(guān)的相變和電輸運變化機制。具體的研究結(jié)果如下： 1、結(jié)合原位高壓電阻率、Hall效應測量和第一性原理模擬計算，系統(tǒng)地研究了高壓下SnS的載流子輸運特性，觀測到了壓力對SnS的電阻率、霍爾系數(shù)、載流子濃度和遷移率的調(diào)制作用。實驗結(jié)果表明在10.4GPa附近，SnS發(fā)生半導體到半金屬特性的電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。第一性原理計算進一步證明了這一轉(zhuǎn)變，并證實這一半導體-半金屬轉(zhuǎn)變是由于壓力作用下原子間距靠近，導致原子間耦合增強，能帶展寬，帶隙變窄造成的。繼續(xù)增加壓力，電輸運參數(shù)如載流子濃度和遷移率在12.6GPa時發(fā)生不連續(xù)變化，這是由于壓致Pnma-Cmcm結(jié)構(gòu)相變引起的。在壓力作用下，正交結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)a、b、c的壓縮率明顯不同，導致Sn-S成鍵鍵長明顯變化，從而誘導SnS從三配位的Pnma結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為五配位的Cmcm結(jié)構(gòu)。 2、結(jié)合原位高壓電阻率、變溫電阻率及同步輻射X射線衍射技術(shù)手段，深入地探究了高壓下SnTe的結(jié)構(gòu)和電輸運性質(zhì)變化。在3.7GPa時，SnTe發(fā)生由Fm-3m對稱性面心立方結(jié)構(gòu)到Pnma對稱性正交結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。繼續(xù)增加壓力到31.8GPa時，SnTe再次發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，相變后的結(jié)構(gòu)為Pm-3m對稱性立方相結(jié)構(gòu)。卸壓后，SnTe回到初始的面心立方結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，SnTe的結(jié)構(gòu)相變伴隨著電輸運參數(shù)如電阻率的異常變化。常壓條件下，雖然SnTe為窄帶隙半導體材料，但是由于其拓撲絕緣性導致價帶頂與導電底交疊，使得SnTe的電阻率具有正的溫度系數(shù)，即電阻率隨著溫度的上升而增大，表現(xiàn)出金屬特性。在處于高壓Pnma相時，SnTe仍然表現(xiàn)出金屬特性，但此時的金屬性特征是由于其能帶閉合造成的，也即SnTe發(fā)生了從拓撲絕緣態(tài)到金屬態(tài)的電子結(jié)構(gòu)相變。在高壓Pm-3m相中，SnTe同樣表現(xiàn)出金屬性。 3、運用高壓同步輻射X射線衍射、高壓拉曼、高壓電輸運性質(zhì)測量技術(shù)和第一性原理模擬計算方法，探明了高壓下In2Se3的結(jié)構(gòu)和載流子輸運的行為特征。 (1)在常溫常壓條件下，In2Se3結(jié)晶為R-3m對稱性六方結(jié)構(gòu)。在0.8GPa時，In2Se3發(fā)生等對稱性結(jié)構(gòu)相變，體積塌縮大約7%。高壓拉曼譜表明代表層間相互作用的振動模式A1g明顯增強，進一步證實了這一等對稱性相變。第一性原理計算從系統(tǒng)總能量的角度闡釋了常壓條件下R-3m對稱性結(jié)構(gòu)比R3m對稱性結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，及R-3m (I)到R-3m (II)相變發(fā)生時的能量變化過程。由于相鄰In-Se層的外層Se原子從相I中的面對面疊加方式轉(zhuǎn)化為相II中外層Se原子錯位填充方式（其中一層的In-Se層的外層Se原子填充在相鄰In-Se層的外層Se原子的間隙位置上），導致c軸晶格常數(shù)塌縮大約10%，滑移后In (Se)原子被鄰近的Se (In)原子替代，In2Se3的對稱性并沒有發(fā)生改變。這一相變屬于層間滑移誘導的大體積塌縮等對稱性相變，系首次被發(fā)現(xiàn)和確認。 (2)繼續(xù)增加壓力到34.3GPa，In2Se3轉(zhuǎn)化為立方相，I-43d對稱性結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果吻合的最好。也即在壓力的調(diào)節(jié)下，In2Se3從二維層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為了三維立方相結(jié)構(gòu)。 (3)電輸運性質(zhì)研究表明在0.4GPa (第一相)時，In2Se3表現(xiàn)出金屬特性；繼續(xù)增加壓力到1.6GPa (第二相)，In2Se3表現(xiàn)出半導體特性；在40.2GPa (第三相)時，再次發(fā)生半導體到金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于In2Se3電輸運性質(zhì)的高度各項異性(層內(nèi)表現(xiàn)出金屬特性，層間表現(xiàn)出半導體特性，且層內(nèi)導電性比層間大3個數(shù)量級)，使得In2Se3的整體輸運性質(zhì)主要表現(xiàn)為層內(nèi)的金屬特性。然而在壓力的調(diào)制下，層間距明顯縮小，層間相互作用明顯增強，導致層間導電性大幅提高，這時In2Se3的整體輸運特性是層內(nèi)的金屬導電性與層間的半導體導電性共同作用的結(jié)果。而層間的半導體導電性隨著溫度的增加以指數(shù)形式增長，層內(nèi)導電性以線性關(guān)系減小，層間導電性隨溫度的增加只能部分被層內(nèi)導電性的減小所抵消，所以In2Se3的整體導電性隨著溫度的增加而增加，表現(xiàn)出半導體特性。隨著壓力的增加，沿著層間方向上載流子輸運的能量勢壘逐步減低，最后降為零，使得載流子可以自由的通過層間區(qū)域。也即在壓力的調(diào)制下，In2Se3的導電性從二維金屬導電性轉(zhuǎn)化為三維金屬導電性，伴隨著結(jié)構(gòu)從高度各向異性的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為各項同性的立方相結(jié)構(gòu)過程。 4、結(jié)合高壓同步輻射X射線衍射、高壓Raman以及原位高壓交流阻抗譜實驗技術(shù)，探索了高壓下Alq3的結(jié)構(gòu)與電輸運性質(zhì)之間的相互依賴關(guān)系。實驗結(jié)果表明壓力低于16.1GPa時，Alq3并沒有發(fā)生結(jié)構(gòu)相變，只有Alq3八面體子晶格結(jié)構(gòu)的細微變形。壓力高于16.1GPa時，Alq3發(fā)生非晶化，壓致非晶化過程在低密度非晶態(tài)時是可逆的，但是在密度相對較高的非晶態(tài)時是不可逆的。Alq3電輸運性質(zhì)的異常變化與壓力作用下Al-oxine成鍵密切相關(guān)。也就說，在Alq3材料中，除了π-π軌道耦合相互作用以外，Al-oxine成鍵也對其電輸運性質(zhì)的起著重要的作用，這一結(jié)果為設(shè)計優(yōu)化基于Alq3材料的電子器件提供了實驗指導。
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O521
【圖文】：

吉林大學博士學位論文現(xiàn)在，靜態(tài)高壓試驗技術(shù)已經(jīng)突破 600GPa，溫度達到 6000K 以上[19]。基于地下核爆、電炮、磁通壓縮和軌道炮等動態(tài)高壓新技術(shù)更是將壓力推升到到數(shù)千GPa[5, 20]。1.2 靜態(tài)高壓實驗技術(shù)和裝置高壓物理研究的迅猛發(fā)展對高壓實驗技術(shù)提出了更高的要求。目前為止已經(jīng)發(fā)展出多種高壓產(chǎn)生裝置和改變型號，主要包括：活塞-圓筒裝置和金剛石壓砧等，這里簡要介紹金剛石對頂砧的發(fā)展過程[20]。1.2.1 金剛石對頂砧(DAC)裝置

圖 1.2 紅寶石測壓系統(tǒng)原理圖及紅寶石熒光光譜 金剛石壓砧實驗技術(shù)的應用金剛石具有很高的硬度及對 X 射線具有較低的吸收率和良好的透明種實驗技術(shù)可以與金剛石對頂砧技術(shù)相結(jié)合，對樣品的物理性質(zhì)進行例如高壓同步輻射 X 射線衍射、高壓徑向 X 射線衍射、高壓 X 光吸 光成像、高壓 X 光非彈性散射、高壓拉曼、布里淵散射、高壓電磁量等眾多高壓實驗技術(shù)已經(jīng)得到極大的發(fā)展(圖 1.3)[4]。

圖 1.2 紅寶石測壓系統(tǒng)原理圖及紅寶石熒光光譜2.3 金剛石壓砧實驗技術(shù)的應用金剛石具有很高的硬度及對 X 射線具有較低的吸收率和良好的透明性多種實驗技術(shù)可以與金剛石對頂砧技術(shù)相結(jié)合，對樣品的物理性質(zhì)進行原。例如高壓同步輻射 X 射線衍射、高壓徑向 X 射線衍射、高壓 X 光吸收 X 光成像、高壓 X 光非彈性散射、高壓拉曼、布里淵散射、高壓電磁輸測量等眾多高壓實驗技術(shù)已經(jīng)得到極大的發(fā)展(圖 1.3)[4]。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 經(jīng)福謙;動態(tài)超高壓技術(shù)(一)[J];爆炸與沖擊;1984年03期

2 偠清泉;金屬氫的高壓合成機理[J];高壓物理學報;1987年01期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 胡廷靜;高壓下半導體的載流子行為[D];吉林大學;2011年

本文編號：2786054