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学校隆重举行现代工程技术实验教学楼开工奠基仪式
首页 > 校情总览 发布时间:2019-10-18 20:15:01
    哈工大报讯(刘忠奎/文)日前,由我校刘浩哲教授的高压研究团队、阿岗国家实验室、哈佛大学和卡内基研究院地球物理实验室共同开展非晶硒(a-Se)在压力下的性质研究时,成功发现了“极端压力引起的体积膨胀现象”,研究结果解决了非晶硒在高压下所显示的异常电学性质这一长期难题,并且揭示了新的同步辐射X射线技术对于研究材料在极端条件下性质的重要作用。这一突破性成果于2008年9月9日在国际著名科技期刊《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)上发表(Vol. 105, No. 36, 13229-13234, 2008),受到了国际物理领域的广泛关注。同时,为表彰我校在此实验中所做出的特殊贡献,美国阿岗国家实验室先进光子源将我校刘浩哲教授的高压研究团队研究结果选为科学亮点。
    材料在压力、温度和磁场等极端条件下的行为是材料科学的一个重要研究领域,同时也是发展新型优质材料的关键所在。20世纪70年代,人们发现非晶硒(一个检验非晶材料压致效应的理想材料)在接近十万大气压压力下晶化为三方结构晶体(t-Se)。然而,非晶硒和三方硒在相同压力下的电阻却存在明显的差异。在晶化压力下,非晶硒的原位电阻测试显示了其电阻的不连续跳跃,这一过程中较三方硒的电阻相比减小了2-3个数量级。更为新奇的是,当压力保持在晶化压力时,晶化过程中硒的电阻随时间的增加而增大。这种在非晶硒与三方硒在电阻和结构之间的差异促进了进一步利用X射线衍射(XRD)技术对压致晶化性质的研究工作。 
    2007年开始,基础与交叉科学研究院理学研究中心刘浩哲教授,带领高压矿物物理和材料物理校优秀科技创新团队与阿岗国家实验室、哈佛大学和卡内基研究院地球物理实验室研究人员在美国能源部阿岗国家实验室的先进光子源(APS)使用同步辐射X射线上发展的新技术研究了非晶硒(a-Se)在压力下的性质。研究人员发现了非晶硒在高压下未曾预料的动态晶化过程和反常的体积膨胀。利用新的高压X射线3维成像技术,他们研究了这种异常现象的起源。同时,这一新技术提供了直接测量非晶材料状态方程的新方法。
    刘浩哲教授说:“对于使用金刚石对顶砧装置(DAC)在所需压力下恰当的时间分辨范围内迅速地探测样品方面,APS很高的X射线流强是非常重要的。正是这一重要性质保证了我们能在高压合作研究团队(HPCAT)的16-ID-B线束站上成功地完成了时间分辨X射线衍射测量。”  
    通过良好聚焦的短时间间隔的原位X射线衍射谱,研究人员在时间和空间范围内监控了亚稳的单斜硒(m-Se)和三方硒(t-Se)的形成和重结晶。在晶化压力下样品的不同位置,单斜相出现并持续存在了20分钟到超过1小时。在非晶硒开始结晶之后大约80分钟时,样品的大部分都变为纯的三方相。  
    检测材料在结晶过程中的密度变化至关重要,因为结构精修表明亚稳态单斜硒的密度比三方相的大~3.6%。为了测量非晶材料在压力下的密度变化,研究人员发展了一种利用同步辐射X射线在金刚石对顶砧装置内成像的新方法。APS上2-BM的XOR系的肖向辉(音)博士提到:“在XOR发展的新高压显微成像技术使用对X射线透明的铍封垫和有利于测量样品三维结构的全景式金刚石对顶砧装置(DAC)。这项技术使我们能够精确地测量非晶材料在DAC内的压力与体积的状态方程。”   
    刘浩哲教授说:“应用和发展X射线成像技术在DAC内第一次观测到高压下样品原位的三维影像是非常令人激动的。更重要的是X射线显微成像技术揭示了晶化过程中样品摩尔体积随时间的演化和体积膨胀的新奇现象。这种压致体积膨胀与化学成份变化所造成的现象是截然不同的,如沸石的体积反常膨胀是由于从传压介质中吸收了水份而导致的水合作用。与之形成鲜明对照的是,在单质硒中晶化过程的体积反常膨胀反映了其局域结构的在非平衡条件下的拓扑涨落。”  
    这一突破性成果从晶体结构方面解决了非晶硒压致晶化过程中电学性质随时间演变的历史性难题。亚稳相在过压区间重结晶过程中的压致体积膨胀可能是一个更为普遍的现象。而且,调整各个相的相对密度和热力学过程可以提供从更高亚稳相中构造新结构的新途径。  
    新的X射线显微成像技术具有广泛的应用前景,可以在百万大气压范围内确定非晶材料和熔融状态材料的状态方程,对于解决地学、行星科学和材料科学中的许多问题都将起到至关重要的作用。这些结果揭示了新的时间和空间分辨的高压X射线衍射和成像技术对于理解材料在极端条件下结构转变的动力学过程具有重要意义。 

王鲁红副教授与刘浩哲教授在美国Argonne国家实验室先进光源进行实验研究

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