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纳米材料高压行为的研究

王晖  
【摘要】: 本文主要利用高压原位同步辐射X射线衍射技术和金刚石对顶砧高压装置,对纳米尺寸Ge-Ⅰ(立方金刚石结构)、q-GeO_2(α-石英结构)、和β-Ga_2O_3的高压行为进行了研究,并对比了相应大块材料的高压数据,以期了解晶粒尺寸对相变压力、体弹性模量的影响。本文还总结了ⅣA族单质半导体、ⅢA-ⅤA族和ⅡB-ⅥA族二元半导体材料的高压数据,探究相变压力P_(tr)和能隙之间的关系。 首先利用能量色散X射线衍射技术对晶粒尺寸为100 nm、49 nm和13 nm的Ge进行了高压实验,最高压力为35 GPa。发现在高压下会发生Ge-Ⅰ→Ge-Ⅱ的相变,相变压力分别11.5 GPa、12.4 GPa、16.4 GPa。根据压力-体积数据计算出Ge-Ⅰ相在零压下的体弹性模量分别为88GPa、92 GPa、112 GPa。可以看出,随着晶粒尺寸的减小,其体弹性模量逐渐升高,相转变压力亦随之提高。本文建立了一个描述晶粒尺寸与体弹性模量关系的模型,并利用Jamieson公式计算了相变压力随晶粒尺寸的变化,尽管在数值上存在一定的误差,但理论计算结果成功预示了随着晶粒尺寸的减小,体弹性模量和相变压力增加的趋势,与实验结果相一致。 其次又利用能量色散X射线衍射技术研究了晶粒尺寸为40 nm和260 nm q-GeO_2的高压相变,最高压力分别为51.5 GPa和40.6 GPa。在加压过程中发生了两种相变:首先由α-石英结构的GeO_2转变为非晶GeO_2,40 nm q-GeO_2相变的起止压力分别为10.8 GPa和14.9 GPa,而260 nm q-GeO_2的则为9.5 GPa和12.4 GPa;然后会发生非晶相到单斜相的转变,40 nm和260 nm的试样检测到单斜相的压力分别为26.9GPa和28.4 GPa。这种单斜相和非晶相的混合物可以保持到实验的最高压力,并能够保留到卸压以后。这个结果表明非晶相与单斜相的自由能比较接近,因此起始材料中的缺陷对q-GeO_2在高压下发生何种相变有很大的影响。 而后又利用角度色散X射线衍射技术对晶粒尺寸为14 nm的β-Ga_2O_3进行了高压研究,最高压力为64.9 GPa。实验发现β-到α-Ga_2O_3相变的起始压力在13.6-16.4 GPa之间,相变进行的很缓慢,为不可逆相变,最高压力下的相仍为α-Ga_2O_3,并可保留到卸压后。根据第一性原理的计算结果以及相变压力和能隙之间的关系,我们判定纳米β-Ga_2O_3的相变压力要高于大块材料。压力提高的主要原因是由于纳米β-Ga_2O_3和α-Ga_2O_3表面能的差异,数值大约为4.6-4.7 J/m~2。根据体积压缩数据计算了β-Ga_2O_3和α-Ga_2O_3的体弹性模量,当B_0′=4时β-Ga_2O_3和α-Ga_2O_3的体弹性模量分别为228 GPa和333 GPa,都要高于相应的大块材料的数值。 最后我们总结了ⅣA族单质半导体、ⅢA-ⅤA族和ⅡB-ⅥA族二元半导体材料的高压数据。对于纤锌矿结构的二元半导体,在高压下将从直接半导体转变为NaCl结构的间接半导体。而闪锌矿结构的半导体(不包括ZnS和ZnSe)在高压下会转变为六配位或者八配位的金属相。对于可转变为金属相的闪锌矿结构半导体,它们基本满足P_(tr)⊿V=0.14+0.12E_g;而在高压下无法转变为金属相的二元半导体则符合P_(tr)⊿V<0.14+0.12E_g。


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