论文部分内容阅读
过渡金属及其化合物在探索新奇量子效应的过程中发挥着至关重要的作用。5d过渡金属比3d过渡金属有着更加复杂的电子结构,其组成的化合物表现出独特新奇的物理性质,如量子自旋液体特性等。在凝聚态物理领域,量子自旋液体是近年来广受关注的研究热点,其拓扑性质能够运用于量子计算的设计中,因此,开展此类化合物结构与性质的研究也能够帮助解释高温超导体的潜在机理。在Sd过渡金属化合物中,Ir金属氧化物A2Ir03(A=Na,Li,Cu)有着独特的、类似于α-RuC13的蜂巢结构,理论研究表明这类结构有着很强的几何阻挫效应,非常接近于Kitave模型的量子自旋液体材料。此外,过渡金属硅化物中,Ir-Si体系中存在着最高硅含量的过渡金属硅化物,这类硅化物通常被用于热电以及微电子领域。通过文献调研发现,Ir-Si体系中Si元素占比从低到高存在这金属键主导到共价键主导的转变,这就意味着Ir-Si金属化合物可能有着更加丰富的性质。纵观Ir-基化合物及其亚稳态结构的合成和测试研究,我们发现其结构和物性的在极端高温高压环境下的研究开展比较少。本论文通过金刚石对顶砧和大压机高温高压合成两种技术手段,在高温高压条件下来探索新结构类型的Ir-基化合物。其中金刚石对顶砧技术能够原位研究材料在高温高压下的性能及结构变化,尤其适用于某些高压相无法稳定存在的材料,而大压机高温高压合成技术在亚稳态材料及非常规化学计量比化合物的合成中具有明显的优势。本论文首先进行了 Cu2Ir03的合成、高压相的探索以及原位高压测试表征。Cu2Ir03多晶粉末料使用固相置换反应制备,通过X射线粉末测试确定其结构,发现其与Na2Ir03的结构类似,同为铜铁矿衍生物,空间群为C2/c。Cu2IrO3蜂巢夹层中的Cu原子和周围的两个O原子形成一个哑铃结构,而其a-b平面中的Ir-Ir-Ir键角相对于Na2IrO3更加接近于120°,这说明Cu2IrO3有着更加理想的键角以及更加接近于Kitaev的蜂巢模型。除了常规的低压相探索,本论文又使用了金刚石对顶砧技术(DAC)与同步辐射光源原位高压粉末X射线衍射技术研究了 Cu2Ir03从2.5 GPa到49.3 GPa的结构变化,发现其在20.4GPa下有新的高压相产生。以Na2Ir03的高压相为母体,使用Lebail法进行粉末精修,确定其空间群为C2/m。在此结构中,Ir-Cu夹层中的Cu原子排布没有太大变化,但是由于压力的增加使得C轴不断变短,Cu与周围的氧原子不再是原先的“哑铃”(O-Cu-O)结构,而是与周围的六个氧原子形成一个扭曲的八面体结构,这是一个全新的Cu2Ir03结构。本论文随后进行了 Ir-Si二元化合物高温高压合成以及相关的测试表征。使用Kawai型大腔体压机进行高温高压合成,得到了 Ir-Si二元化合物样品。使用扫描电子显微镜(SEM)与X射线能谱分析(EDS)以及X射线单晶衍射法对Ir-Si化合物寻找到了三个不同结构的Ir-Si二元化合物,其分别为:Ir0.96Si1.04、Ir1.1Sio.9 和 IrSi2.28。Ir0.96Si1.04 为 ε-FeSi 结构,空间群为P213,此结构的Ir-Si键平均键长(2.556 A)要大于传统的IrSi结构(空间群为Pnma,平均键长为2.487 A),但其原子致密度却大于IrSi结构,这符合高压合成相的特性。Ir1.1Sio.9的空间群则为I4,其Ir-Si键平均键长(2.561 A)在所有Ir-Si二元化合物中最大,这是由于部分Ir原子占据Si原子位置。Ir0.96Si1.04和Ir1.1Si0.9这两种化合物都是新发现的结构。而IrSi2.28则解决了多年来对于IrSi～3的结构以及Ir-Si元素比例的争议问题,它是硅占比最高的二元过渡金属硅化物。