【摘 要】
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高压作为平行于温度、磁场、化学掺杂的物质调控手段,是探索和发现新材料、调控物性和诱导新奇物理现象的重要工具之一。高压能够有效地减小原子(分子)间距离、改变键合的类型,进而诱导可能的晶体结构和电子结构相变,再结合温度、磁场等综合手段,可以在不引入杂质的情况下较“纯净”的、连续调控物性,进而有效地揭示基本物理机制。因而近些年高压技术在凝聚态物质领域发挥着越来越重要的作用,如在铁电材料、拓扑材料和半导体
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高压作为平行于温度、磁场、化学掺杂的物质调控手段,是探索和发现新材料、调控物性和诱导新奇物理现象的重要工具之一。高压能够有效地减小原子（分子）间距离、改变键合的类型,进而诱导可能的晶体结构和电子结构相变,再结合温度、磁场等综合手段,可以在不引入杂质的情况下较“纯净”的、连续调控物性,进而有效地揭示基本物理机制。因而近些年高压技术在凝聚态物质领域发挥着越来越重要的作用,如在铁电材料、拓扑材料和半导体材料的研究中已得到了广泛的应用。金刚石对顶砧装置（Diamond anvil cell,DAC）和大腔体压机（LVP）是产生高压和原位高压性能表征的重要工具。本论文主要利用DAC对含铅和无铅铁电体系0.72Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28Pb TiO3（PMN-28PT）和0.925(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.075Ba TiO3（NBT-7.5BT）进行了系统的高压结构演化研究;并对传统量子阱材料HgTe高质量单晶（薄膜和体材料）的输运性能和晶体结构进行了较深入地研究,为此类功能材料的设计和应用提供基础理论支持。主要研究内容包括:1、原位高压拉曼光谱研究证实了PMN-28PT单晶经历了两次结构相变,分别为8.3 GPa时由R3m相变为R3c相和15.6 GPa时由R3c相变为R3?c相。原位高压紫外-可见吸收光谱对PMN-28PT单晶在高压下光学性质的研究表明,发现在29.7 GPa时,PMN-28PT单晶的带隙宽度从常压的3.14 e V减小至2.58 e V。光学带隙的变化主要归因于,随着压力的增加,氧八面体受到挤压,因而导致B位阳离子d轨道和O位阴离子2p轨道之间的耦合作用增强,使得导带能量降低。实验结果表明压力对PMN-28PT单晶的晶体结构和光学性质有着出色的调节作用,为新型钙钛矿铁电体的研究提供了新思路。2、原位高压拉曼光谱研究证实了NBT-7.5BT单晶在高达30 GPa的压力范围内,经历了三次结构相变,即从常压的四方相（P4bm）在3.5 GPa的时候转变为四方/立方混合相（P4bm/（I4cm/Pm-3m））,在10 GPa的时候,完全转变为立方相（I4cm/Pm-3m）,在20.5 GPa处,由立方相（I4cm/Pm-3m）转变为未知结构相。通过对NBT-7.5BT单晶在高压下的晶体结构相变系统地分析表明压力加剧了A位阳离子的振动、加剧了氧八面体（BO6）的倾斜和扭转、促进了A位阳离子和B位阳离子之间的耦合过程。3、对HgTe单晶薄膜进行常压下电输运的测量,从实验结果上观察到了其拓扑绝缘体特征。此外,通过对HgTe单晶薄膜和HgTe单晶进行原位高压拉曼光谱的研究表明,在30 GPa压力下,这两种样品均出现了三次结构相变,HgTe单晶薄膜在0.9 GPa、8 GPa和11.7 GPa出现相对应的结构相变,而HgTe单晶大约在3.3 GPa、11.1 GPa和15.6 GPa出现相对应的结构相变。通过对比薄膜和体材料的压力响应,确定衬底的二维应力调控状况,为后续选择合适衬底及HgTe器件外延膜厚度选取提供实验上的支持。
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