【摘 要】
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高压作为一种调控材料性质和发现物质新结构的重要手段,在科学研究及工业应用方面发挥着不可替代的作用,近些年来,随着金刚石对顶砧技术、高压拉曼光谱技术、同步辐射光源技术的发展,材料在高压下的行为正受到越来越多的关注。碱土金属氟化物（Ca F2、Sr F2、Ba F2）结构简单,在高压下会经历两次结构相变,且相变压强较低,实验上容易实现,深入分析它们的高压行为对于高压理论的发展及理解地球深处的材料行为具
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
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高压作为一种调控材料性质和发现物质新结构的重要手段,在科学研究及工业应用方面发挥着不可替代的作用,近些年来,随着金刚石对顶砧技术、高压拉曼光谱技术、同步辐射光源技术的发展,材料在高压下的行为正受到越来越多的关注。碱土金属氟化物（Ca F2、Sr F2、Ba F2）结构简单,在高压下会经历两次结构相变,且相变压强较低,实验上容易实现,深入分析它们的高压行为对于高压理论的发展及理解地球深处的材料行为具有十分重要的意义。本文基于高压拉曼光谱技术,对Ca F2和Ba F2的加压及卸压过程进行了表征,其中Ca F2在约9.1 GPa时发生Fm3m-Pnma相的转变,但随着压强的增加,其结晶质量变差导致光谱质量变差,故不再对其进行进一步的加压实验;Ba F2在高压下,依次经历了Fm3m-Pnma-P63/mmc两次结构相变过程,相变压强分别为3.5和15.4 GPa,其第二次相变过程十分迅速,在约17.8 GPa时,Pnma相完全转变为P63/mmc相,在卸压过程中发现,P63/mmc相存在滞后现象,滞后约3.1 GPa。基于第一性原理密度泛函理论,利用VASP软件对三种碱土金属氟化物的高压相变行为进行了理论计算,结果表明,在压强作用下Ca F2、Sr F2、Ba F2依次由Fm3m相转变为Pnma相再转变为P63/mmc相,它们的相变压强表现出随阳离子半径增大而减小的规律;通过计算晶格常数随压强的变化关系,验证了实验上观察到的相变前兆现象并得到了完全相变压强点;之后结合晶格常数突变、三棱柱倾角突变、原子位置突变,指出Pnma-P63/mmc的相变过程为一级相变,为目前存在的争议给出了合理的解释。由于Ca、Sr、Ba属于同一主族元素,实验和理论计算均表明它们的氟化物在高压下的行为一致,故本文最后仅对Ba F2的其他物理性质随压强的变化进行计算。首先通过计算声子谱,从晶格动力学的角度出发,揭示了Ba F2的P63/mmc相在卸压过程中的滞后机制,然后通过分析电子态密度随压强的变化关系发现,对于Ba F2的Pnma相,在16 GPa以后,由于F1原子的py+pz与px轨道电子离域,从而导致其带隙随压强增加而降低。
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