PNAS：哈工大破解非晶硒壓致晶化過(guò)程中電學(xué)性質(zhì)難題

 哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授劉浩哲帶領(lǐng)的高壓研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)能源部阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、哈佛大學(xué)和卡內(nèi)基研究院地球物理實(shí)驗(yàn)室，在共同開(kāi)展非晶硒（a-Se）在壓力下的性質(zhì)研究時(shí)，成功發(fā)現(xiàn)了“壓力引起的體積膨脹現(xiàn)象”，研究結(jié)果解決了非晶硒在高壓下所顯示的異常電學(xué)性質(zhì)這一長(zhǎng)期難題，并揭示了新的同步輻射X射線技術(shù)對(duì)于研究材料在條件下性質(zhì)的重要作用。這一突破性成果近期在美國(guó)《國(guó)家*院刊》（PNAS）上發(fā)表后，受到物理和材料研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
 
    材料在壓力、溫度和磁場(chǎng)等條件下的行為是材料科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，同時(shí)也是發(fā)展新型材料的關(guān)鍵所在。20世紀(jì)70年代，人們發(fā)現(xiàn)非晶硒（一個(gè)檢驗(yàn)非晶材料壓致效應(yīng)的理想材料）在接近十萬(wàn)大氣壓壓力下晶化為三方結(jié)構(gòu)晶體（t-Se）。然而，非晶硒和三方硒在相同壓力下的電阻卻存在明顯差異。在晶化壓力下，非晶硒的原位電阻測(cè)試顯示了其電阻的不連續(xù)跳躍，這一過(guò)程與三方硒的電阻相比減小了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。更為奇特的是，當(dāng)壓力保持在晶化壓力時(shí)，晶化過(guò)程中硒的電阻隨時(shí)間的增加而增大。這種在非晶硒與三方硒中發(fā)生的在電阻和結(jié)構(gòu)之間的差異，引起了研究人員的興趣，從而促使他們進(jìn)一步利用X射線衍射（XRD）技術(shù)對(duì)壓致晶化的過(guò)程開(kāi)展研究。
 
    從2007年開(kāi)始，使用在同步輻射X射線上發(fā)展的新技術(shù)，劉浩哲與合作伙伴在美國(guó)能源部阿崗國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的*光子源（APS）研究了非晶硒在壓力下的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了非晶硒在高壓下未曾預(yù)料的動(dòng)態(tài)晶化過(guò)程和反常的體積膨脹。他們利用新開(kāi)發(fā)的高壓原位X射線三維成像技術(shù)，研究了這種異常現(xiàn)象的起源。同時(shí)，這一新技術(shù)提供了直接測(cè)量非晶材料狀態(tài)方程的新方法。
 
    劉浩哲說(shuō)：“應(yīng)用和發(fā)展X射線三維成像技術(shù)在DAC內(nèi)*次觀測(cè)到高壓下樣品原位的三維影像是非常令人激動(dòng)的。更重要的是，X射線顯微成像技術(shù)揭示了晶化過(guò)程中樣品摩爾體積隨時(shí)間的演化和體積膨脹的新奇現(xiàn)象。這種壓致體積膨脹與化學(xué)成份變化所造成的現(xiàn)象是截然不同的，如沸石的體積反常膨脹是由于從傳壓介質(zhì)中吸收了水分而導(dǎo)致的水合作用。與之形成鮮明對(duì)照的是，在單質(zhì)硒中晶化過(guò)程的體積反常膨脹，反映了其局域結(jié)構(gòu)在非平衡條件下的拓?fù)錆q落。”