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LiTaO_3单晶的冲击相变研究

李俊  
【摘要】: 高压相变是目前高压科学研究中的一个热点课题,它探索和揭示物质在高压和高温高压极端条件下结构和物态变化的临界现象和规律。由于物质丰富的高压相变信息,高压相变研究在凝聚态物理、材料科学、地球和行星科学研究中占有重要的地位,也是武器物理研究的一项重要内容。LiTaO_3晶体是一种重要的功能材料,在超晶格光学、电光、压电、声表面波(SAW)和红外热释电等器件方面有重要的用途,具有典型的ABO_3晶体结构。有关它的高压相变研究,目前人们从有限的静压和动高压实验数据获得的结构相变认识还存在较大的分歧,如相变起始压力报道差别较大,高压相的结构还不很清楚,有较高的科学研究价值。本文通过冲击实验波剖面测量和Hugoniot测量结合第一性原理理论计算,开展了z切LiTaO_3单晶的冲击高压相变特性研究。 在35mm内径二级轻气炮上,采用VISAR结合多通道辐射高温计的联合测量技术,对LiTaO_3单晶的冲击Hugoniot关系(冲击波速度D-粒子速度u关系)和粒子速度剖面进行了测量。结果显示,实测D(u)关系并非是连续的线性变化而存在明显拐折,高压段测量结果为;D=2.748+1.577u;同时,实测波剖面在峰值压力低于37.9 GPa时为弹-塑性双波结构,而在终态压力为42.7 GPa和53.0 GPa的两发实验中则观测到含弹性波、塑性波和相变波的三波结构,由波剖面数据确定的相变起始压力为37.9 GPa。 为了解读LiTaO_3单晶的高压相结构,利用基于密度泛函理论框架的平面波赝势结合局域密度近似的从头算方法对LiTaO_3单晶的零温焓和冷压曲线进行计算,并与实验结果进行比较。研究表明,理论计算的菱形相(R3c对称群)压缩线与低压实验数据符合较好,而计算的正交相压缩线(Pbnm对称群)则与扣除热压贡献的高压冲击实验数据相符;高压相比低压相更难压缩,由高压相P-V线外延计算的零压密度比常态菱形相高约24%。由此推断LiTaO_3晶体的冲击高压相具有正交对称性,这与同构体LiNbO_3晶体的室温高压相基本类似。 本文由冲击实验测量结合理论计算基本澄清了LiTaO_3的相变起始压力和高压相晶体结构的认识,证明了其相变特性与同构体LiNbO_3的冲击相变规律基本相同;建立的研究方法和思路可应用于类似材料的高压相变研究。


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