【摘 要】
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碲化镓（Gallium Telluride）是Ⅲ-Ⅵ族化合物层状半导体中的镓硫属化合物。由于其独特的光学和电学特性,可以被广泛的应用在光电探测器、存储开关、场效应晶体管和太阳能电池等领域。通过物理化学手段调节GaTe的结构和带隙已成为改善其光电性能的重要研究方向。本文以碲化镓（GaTe）为研究对象,利用金刚石对顶砧（DAC）装置通过手工布线技术制备测量微电路,在0-30 GPa压力范围内开展原位电
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碲化镓（Gallium Telluride）是Ⅲ-Ⅵ族化合物层状半导体中的镓硫属化合物。由于其独特的光学和电学特性,可以被广泛的应用在光电探测器、存储开关、场效应晶体管和太阳能电池等领域。通过物理化学手段调节GaTe的结构和带隙已成为改善其光电性能的重要研究方向。本文以碲化镓（GaTe）为研究对象,利用金刚石对顶砧（DAC）装置通过手工布线技术制备测量微电路,在0-30 GPa压力范围内开展原位电阻率和交流阻抗谱测量,同时结合第一性原理的理论计算,研究高压力下GaTe样品电学性质。开展了GaTe样品的高压原位电阻率测量。实验发现:在0-30GPa范围内的加压过程中,样品电阻率整体下降了九个数量级,并分别在4.8 GPa、10 GPa和11 GPa附近出现了不连续变化。其中,在0-4.8 GPa范围内电阻率逐渐下降,斜率逐渐减小。4.8 GPa后电阻率开始迅速下降,直至11.4 GPa后电阻率减小缓慢并趋于平稳。在4.8 GPa-11.4 GPa范围内电阻率变化异常最为明显。根据2005年Schwarz等人的高压XRD实验结论[1],我们推测此异常变化与样品晶体结构变化相关。在卸压过程中,电阻率没有恢复到初始数量级,表现为不可逆变化。进行的变温电阻率测量实验发现:当压力小于10 GPa时电阻率随着温度的升高而减小呈现出半导体特性。当压力大于11.7 GPa时电阻率随温度的升高而升高呈现出典型的金属特性。实验结果表明GaTe样品在10 GPa-11.7 GPa压力范围内发生半导体压致金属化相变。开展了GaTe样品的高压交流阻抗谱测量。实验发现:在0 GPa-11.3 GPa压力范围过程中,晶粒电阻半圆弧直径减小,总电阻呈下降趋势。其中,压力在4.1GPa-5.0 GPa附近时晶粒电阻变化趋势缓慢,5.0 GPa压力后电阻骤降持续到10.9 GPa后趋近不变。弛豫峰值也具有相同的变化趋势,但在5.0 GPa-10.9 GPa之间弛豫频率缓慢向右移动。结合高压原位电阻率的测量结果和分析,可以推断出样品的高压电输运过程中晶粒占主要贡献,导电机制为电子导电。GaTe在4.8GPa附近实现压致C2/m和Fm3m混合相,直至10 GPa-11.7 GPa压力范围内的Fm3m新相产生。高压力导致样品内部原子空间位置重新排布,晶格对称性发生改变,发生压致相变的同时原子振动频率改变,总电阻和弛豫频率出现变化。开展了GaTe的第一性原理计算。C2/m相和Fm3m相的焓差计算表明GaTe在4.5 GPa时开始发生相变,能带计算表明C2/m相的GaTe为直接带隙半导体,Fm3m相的GaTe能带穿过费米能级,导带和价带交叠,表现为金属特性。GaTe的高压下原胞体积计算表明在结构转变时,伴随着12.82%的体积塌缩,表明相变为一级相变;态密度计算结果说明,在压力的作用下Te原子的5 p态和Ga原子的4 s态和4 p态在费米能级处贡献变大,并发生了强烈耦合。
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