硫族化合物CdX(X=S,Se)、PbX(X=S,Se,Te)的高压相变研究

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本文利用同步辐射X射线衍射、高压DAC技术研究了镉的硫族化合物CdX(X=S,Se)和铅的硫族化合物PbX(X=S,Se,Te)在高压下的结构相变规律。同时,用密度泛函理论(DFT)计算研究了这些化合物在高压条件下的结构稳定性和相变规律。本研究主要内容包括:  ⑴利用同步辐射X射线衍射技术研究了CdS在高压下的相变行为,最高压力达到104 GPa。CdS常温常压下的结构为纤锌矿(B4),高压下稳定到3 GPa,然后转变成NaCl(B1)结构,接着,在52.3 GPa,转变另一个高压相,此高压相至少稳定到104 GPa。X射线衍射谱表明,这个高压相具有Pmmn结构。当压力高于52.3GPa时,发现Pmmn相的晶格常数a随压力升高反常膨胀,而其它两个常数b和c随压力升高正常减少。DFT计算也发现了同样的现象,与实验结果相符合。通过分析高压下Pmmn结构中键角和原子位置的变化,建立一种原子受力模型,从理论上阐述了Pmmn相的晶格常数a出现反常膨胀的原因。  ⑵基于同步辐射高压X射线衍射实验和DFT计算,研究了CdSe在高压下的相变过程,最高压力达到60 GPa以上。CdSe的原始相为B4相,高压下将转变为B1相,接着,在27 GPa转变到一个正交相,该实验结果与前期报道相符。基于我们的实验和理论研究,我们认为该正交相具有Pnma结构,而非之前报道过的Cmcm结构。在36 GPa以上,随压力升高,再次出现新衍射峰和一些衍射峰劈裂,经过深入分析压力下Pnma结构变化,发现这是由于Pnma相随压力升高,晶格内原子相对位置改变和晶格常数压缩率不同导致了这些现象,而不是发生了第三个相变。DFT计算进一步验证了实验结果。  ⑶利用同步辐射粉末高压X射线衍射和单晶高压X射线衍射技术,研究了PbS在高压下的相变行为,共进行了四次实验,最高压力50 GPa以上。PbS常温常压下为B1相,在2.1 GPa发生了第一次相变,在7.6 GPa,发生了第二次转变,再次升高压力到21.2 GPa,PbS转变到CsCl(B2)结构,该现象与先前报道的在B1和B2相之间只有一个中间相完全不同。通过单晶高压X衍射方法获得的高分辨衍射谱,与粉末衍射谱对比,并结合DFT计算,发现第一次相变是B1相到Pnma和Cmcm相的转变,而第二次是Pnma相到Cmcm相的转变,第三次是Cmcm相到B2相的转变。通过DFT计算,分析了PbS的四个相的能量与体积关系,以及焓与压力关系,并阐述了PbS高压下的相变过程。  ⑷利用同步辐射粉末高压X射线衍射和单晶高压X射线衍射技术,研究了PbSe在高压下的相变行为,共进行了三次实验,最高压力50 GPa以上。PbSe的原始相为B1相,在4.8 GPa,转变为一个正交相,随后在19.5 GPa转变到B2相。通过对实验结果的分析以及DFT计算,认为该正交相具有Pnma结构,而不是之前报道的Cmcm相。另外也对三个相的衍射谱进行了Rietveld精修。从实验中,发现Pnma相的某些衍射峰特别宽,于是用单晶X射线衍射方法重复实验,确认为单一衍射峰。DFT计算进一步验证了实验结果的正确,通过对比Pnma相和Cmcm相的结构,发现PbSe的两个结构非常相似,它们的衍射谱很难区分。  ⑸基于同步辐射高压X射线衍射实验和DFT计算,研究了PbTe在高压下的相变过程,最高压力达到50 GPa以上。当压缩样品到6.6 GPa时,原始的B1相转变到中间相,该中间相被确认为Pnma结构。在18.4 GPa,Pnma相转变到B2相。分别对PbTe的三个相的衍射谱进行了Rietveld精修。用DFT计算了PbTe高压下的相变过程,与实验结果相符合。
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