拓扑材料HgTe和无铅铁电材料NBT-6.5BT在高压下的结构和物性研究

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随着基于金刚石对顶砧(DAC)的原位高压测量技术的发展,研究材料在高压下的物理性能日渐成为凝聚态物理研究中一种有效、可行的手段。高压所引起的众多新奇的物理现象,对于丰富和发展凝聚态物理理论具有重要意义。本文利用原位高压技术系统地研究了两种功能材料--拓扑绝缘体HgTe和无铅铁电材料0.935(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.065BaTiO3(NBT-6.5BT)在高压下的晶体结构和电性能的变化,得到了一些新奇的研究结果。1、HgTe是量子霍尔效应和器件研究中的一种传统且具有良好应用前景的材料,二维HgTe量子阱也是最早被发现的拓扑绝缘体。而HgTe的独特性质及其电子结构,如能带反转,载流子类型及其对化学掺杂、磁场和压缩的响应等,还有待进一步研究。本论文系统地研究了HgTe单晶薄膜的晶体结构和电输运性能随压力的变化关系。原位高压拉曼光谱研究表明HgTe单晶薄膜分别在约1.6GPa,8.7 GPa,12.7 GPa和27.1 GPa发生了结构相变。原位高压电输运研究结果表明:(1)随着压力的升高,HgTe单晶薄膜典型的半导体行为逐渐受到抑制,并且随着半导体向金属的转变,在3.9 GPa处首次发现了其超导电性,超导转变温度约为6.5 K,HgTe单晶薄膜的高压相在压力高达54 GPa时均显示出超导转变。(2)原位高压霍尔效应研究结果显示在5.3-8.6 GPa压力范围内,HgTe单晶薄膜出现压力与温度共同调控的载流子类型转变。(3)通过多个角度对实验数据进行综合分析,得到了HgTe单晶薄膜的高压结构与电性能演化相图。(4)首次发现HgTe在相I的拓扑绝缘体特征,在低温下表面金属态主导电输运。(5)HgTe的拓扑性质分析表明HgTe在高压相可能同时存在拓扑性和超导电性。2、钙钛矿型弛豫铁电单晶0.935(Na0.5Bi0.5)TiO3-0.065BaTiO3(NBT-6.5BT)被誉为最有可能替代铅基铁电材料的环境友好型材料。本文利用原位高压拉曼光谱系统地研究了NBT-6.5BT单晶的高压下晶体结构的变化。结果表明常压下拉曼振动模式显示初始相为三方R3c相和四方P4bm相共存。在4.6 GPa处,在中频带(300400 cm-1)出现了新的声子模式,这表明结构从三方到四方的相变。继续压缩到13.1 GPa,拉曼光谱信息表明它仍然是四方结构,但是峰强度和半峰宽(FWHM)有明显的变化,说明NBT-6.5BT在此压力下可能发生了结构畸变。通过分析与A位和B位阳离子偏心位移相关的低频带(100350 cm-1)声子模,与氧八面体结构相关的高波数(500650 cm-1)声子模的峰强度变化,表明高压可以抑制A位和B位阳离子偏心位移,并促进氧八面体倾斜和振动。
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