高压下MoO3的电输运性质研究

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三氧化钼(MoO3)是由过渡金属元素Mo和第Ⅵ主族元素O结合而成的一种过渡金属氧化物。它特殊的层状结构在过渡金属氧化物中比较少见,使得其它离子或小分子很容易嵌入其中,这种特殊的物理性质决定了MoO3会成为锂电材料、传感器等领域的新型功能材料;与此同时,MoO3的电致变色、光催化降解等性质,在合成快离子导体和电池电极等方面具有独特的用途。这些都极大的拓宽了半导体材料MoO3的应用范围,并逐步成为国内外研究的热点。近年来,大部分对MoO3的报道都集中在高压结构相变、掺杂与纳米材料研究等方面,对体材料MoO3的电输运性质特别是高压下电学性质的研究很少。而MoO3的电学性质,又是影响MoO3应用价值的关键因素。基于此背景,我们利用DAC技术平台对体材料MoO3在高压下的电输运性质进行了系统的研究。主要研究结果如下:一、通过对高压下MoO3交流阻抗谱随压力的变化规律的研究发现:体材料MoO3中没有发现晶界的传导过程,而晶粒电阻随着压力的增加呈现出降低的趋势。在10.6GPa时体电阻发生突变,弛豫频率向高频方向移动了2个数量级,弛豫强度急剧减小,我们认为这一系列电学参量的不连续变化对应着MoO3从正交相(-MoO3)到单斜相(MoO3-II)的转变。虽然在13GPa以后MoO3的电阻小于阻抗测量量程,但此时样品的电阻恰好进入直流电阻率的测量范围,MoO3在13GPa后的原位电学测量数据通过直流电阻率的测量得到了很好的补充。二、通过对高压下MoO3电阻率随压力的变化规律的研究发现:加压过程中,在10.9-12.8GPa的压力区间内,电阻率发生突降现象后又缓慢下降,我们认为这个不连续变化对应着MoO3从正交相(-MoO3)到单斜相(MoO3-II)的结构相变从开始到结束的整个过程。同样,在20.8GPa处电阻率的急剧下降,与MoO3发生第二次结构相变时(MoO3-II→MoO3-III)引起的晶格结构重组有关。在卸压过程中,同样探测到了电阻率的两次不连续变化,发生不连续变化的压力点与加压过程保持一致,这说明MoO3的高压结构相变是一个可逆相变,这与前人的报道吻合。三、MoO3的第一性原理计算:能带结构的计算结果显示:三种不同结构下的MoO3(-MoO3、MoO3-II、MoO3-III)均为间接带隙半导体,在压力作用下,导带和价带相互靠近,带隙逐渐变小。MoO3的三个相中带隙随压力的下降速度(dEg/dP)分别为-0.012eV/GPa、-0.017eV/GPa、-0.007eV/GPa。电子态密度的计算结果显示:能量最低的价带被O-2s态所占据。导带和上价带则主要是由Mo-4d态与O-2p态共同作用的结果。
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