高压下碳材料的相变是高压科学和碳材料研究领域一个经久不衰的课题。碳原子丰富的成键形式,在形成了众多碳同素异形体的同时,也使得碳原子在高压下的成键变化丰富多样。从最常见的碳同素异形体——石墨延伸而来的石墨烯气凝胶、石墨烯量子点和碳点等碳基材料,以其优异的性能而受到研究者的广泛关注,并在器件、生物、催化等领域得到广泛应用或者显示出巨大的潜力。而这些材料的高压研究,仍然存在明显的不足与空白。进一步研究高压下的碳基纳米材料,不仅有助于扩展其性能与应用,也有助于加深对碳原子成键方式变化的认知。同时,纳米金刚石作为一种由sp~3碳组成的独特材料,在药物输运、磨料、润滑等领域展现出了巨大的应用潜力,然而其合成存在困难。本文选取了三种材料,利用高压拉曼光谱为主要手段,对碳基纳米材料在高压下的行为进行了研究,并探讨了其中两种材料在高温高压下的相变行为,为在高温高压下可控制备纳米金刚石提供了方向。1、利用高压拉曼光谱,研究了α相酞菁在高压下的行为。实验最高压力为12 GPa,高压拉曼光谱显示,酞菁分子在加压至12 GPa的过程中分子结构保持稳定,压力驱动酞菁分子空间排布改变,使得α相酞菁转变为χ相的酞菁。同时利用高压荧光光谱研究酞菁在高压下的荧光变化,以更好地理解酞菁结构和分子间相互作用对荧光的影响。高压荧光光谱显示,高压下酞菁的荧光峰位随着压力升高而红移,同时荧光强度减弱,至3.0 GPa时几乎消失。进一步分析发现,初始压力下的酞菁荧光全部来自于分子间激基缔合物的荧光,而高压下的荧光则是由分子间激基缔合物的荧光和酞菁分子荧光组成。随着压力的增大,酞菁分子荧光强度与分子间激基缔合物的荧光强度之比不断增加,我们认为这是由于在α相酞菁转变为χ相酞菁的过程中酞菁分子重叠程度减小,使得激基缔合物的荧光受抑制,酞菁分子荧光出现并不断增强。我们的工作阐述了酞菁晶体结构与其荧光之间的关系,为设计性能优异光电材料提供了新的思路和途径。同时酞菁是一种典型的具有共轭电子体系的大分子,我们的工作揭示了具有这类大分子在高压下的动力学行为,为理解碳点等纳米尺寸的碳基材料在高压下的行为提供了新的角度。2、利用高压拉曼光谱研究了一种高无序度的石墨纳米颗粒。高压拉曼光谱结果表明,在非静水压条件下样品的拉曼D峰和G峰从常压保留到了52 GPa,进一步分析表明样品在加压过程中保持稳定,高无序度石墨纳米颗粒在高压下没有发生成键变化,具有很高的稳定性和弹性。样品独特的高度无序结构是这种高稳定性主要来源,同时纳米尺寸效应可能进一步促进了高压下的稳定。对样品进行了激光加热高温高压实验,发现在高温高压下样品融化并转化为纳米金刚石,其平均粒径仅为前驱体的一半。高度无序结构使得样品的致密程度不如石墨,并导致所形成的纳米金刚石颗粒减小。我们的工作揭示了结晶性和尺寸效应对碳基材料在高压下行为的影响,对于设计具备高稳定性的新型碳材料与制备小尺寸纳米金刚石颗粒具有启发和指导意义。3、利用激光加热对顶砧技术,第一次实现了以石墨烯气凝胶为前驱体直接合成金刚石气凝胶。所制备的金刚石气凝胶是由金刚石纳米晶组成。金刚石气凝胶的形成,主要归因于石墨烯气凝胶的低密度,在向金刚石转变时限制了碳源的供应。同时在形成金刚石后由于sp~3碳原子对激光的吸收率较低使得加热的时间也被限制。固体传压介质也可以被用于制备金刚石气凝胶,这在一定程度上降低了制备金刚石气凝胶的条件。同时不同传压介质的实验表明,利用固体传压介质在一定的温度和压力的条件下融化吸热,使得激光加热对顶砧装置的高温高压实验变得更可控,从而为在高温高压下发现新碳相提供了支持。同时在实验中观察到了与一个后石墨相相近的透明相,这个透明相在卸压后转变为石墨和无定型碳。透明相出现在功率较低的条件下,表明在石墨烯气凝胶向金刚石气凝胶转变的过程中会发生石墨化。我们的工作加深了高温高压条件下碳基材料相变过程的认知,为进一步设计高温高压实验合成新型sp~3碳材料提供了技术支持。由于石墨烯气凝胶可控制备的研究已经非常完善,其密度、孔隙率等特性都可以被调制,因此我们的工作为通过设计合适的石墨烯气凝胶前驱体定向合成金刚石气凝胶提供了可能,为金刚石气凝胶的研究和应用提供了基础。