【摘 要】
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金属硫族化合物具有诸多优异的性能,在众多领域具有良好的应用前景,而成为人们研究的热点。利用其优越的热电性质,制备出热电器件己得到广泛应用;该族化合物具有良好的拓扑绝缘性,成为实现量子反常霍尔效应以及寻找马约拉纳费米子的候选材料,而得到广泛关注;此外,在压力作用下,金属硫族化合物呈现出丰富的压致结构(晶体结构与电子结构)变化信息,并带来全新的物理性质。如高压下金属硫族化合物发生的电子拓扑相变导致热电
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金属硫族化合物具有诸多优异的性能,在众多领域具有良好的应用前景,而成为人们研究的热点。利用其优越的热电性质,制备出热电器件己得到广泛应用;该族化合物具有良好的拓扑绝缘性,成为实现量子反常霍尔效应以及寻找马约拉纳费米子的候选材料,而得到广泛关注;此外,在压力作用下,金属硫族化合物呈现出丰富的压致结构(晶体结构与电子结构)变化信息,并带来全新的物理性质。如高压下金属硫族化合物发生的电子拓扑相变导致热电性质显著提高;高压效应诱导拓扑超导体等。因此,高压研究金属硫族化合物的变化规律,具有十分重要的意义。Ag2Te是一种三维拓扑绝缘体,具有丰富的压致结构变化信息。如何提高其拓扑绝缘性能,一直是困扰科学家的难题;高压下的压致结构相变次序备受争议,高压新相结构一直没有解决。理论研究预测As2Te3,在单轴压力下转变为外尔半金属和拓扑绝缘体。尽管发现高压诱导其热电性能发生突变,但其性能变化的原因存在广泛争议。因此,本论文针对金属硫化物Ag2Te和As2Te3中存在的问题,利用高压原位X射线衍射实验、高压原位电学测量等实验技术,并结合第一性原理计算方法,研究其在高压下的晶体结构和物理性质变化,取得了如下创新性研究成果:1)得到了Ag2Te压致结构相变次序及高压新相的晶体结构:实验结果表明该物质在2.2 GPa和11.3 GPa左右经历了两次晶体结构相变。得出Ag2Te准确的高压结构相变顺序为:P21/c®Cmca®Pnma。该结果不仅证实了前人报道的P21/c相的同构相变并不存在,并利用CALYPSO晶体结构预测方法更准确地确定了前人报道的Cmca相的结构信息,以及确定出长期未解决的第二个高压相晶体结构为Pnma相。此外,合理解释了Ag2Te压致晶体结构变化的过程,即压力下Ag2原子沿着b轴方向发生剪切滑移使Te-Ag2距离从3.896(4)?减小到2.954(6)?,使得P21/c相中的[Te Ag8]多面体在相变后转变为Cmca相中的[Te Ag9]多面体。随着压力的增加,[Te Ag9]多面体链发生了剪切滑移,使Cmca相转变为Pnma相的结构。2)在Ag2Te中发现电子拓扑相变:通过高压原位X射线衍射实验、高压原位电阻率测试以及第一性原理计算,发现在1.8 GPa时拓扑绝缘体Ag2Te经历了电子拓扑相变。在电子结构发生拓扑相变之前,Ag2Te的电阻率的压力系数为正数,体带隙随压力增加而加大。该结果表明压力效应增大了Ag2Te拓扑绝缘体的体带隙,进而可有效提高其拓扑特性。该现象是首次在拓扑绝缘体中被发现,为解决如何提高拓扑绝缘体的拓扑本质的难题,提供了新的思路和方法。3)实验发现并证实理论预言Ag2Te中的压致金属化:高压原位变温电阻率测试的结果表明,在4.1 GPa时Cmca相的Ag2Te的电阻率随温度的升高而增加,表现为明显的金属特征,即在Ag2Te中发生压致金属化。表明在相变后Ag2Te的拓扑特性消失转成为金属。4)确定了在As2Te3压致结构相变中的高压新相晶体结构:利用高压原位X射线衍射实验和第一性原理计算的方法,研究了As2Te3在高压下晶体结构的变化。实验结果证实,As2Te3在17.4 GPa到36.3 GPa之间经历了一个可逆的结构相变。高压下As1Te6配位八面体转变为As1Te7配位多面体,使得晶体结构由常压单斜相(C2/m,α-As2Te3)转变为与γ-Bi2Te3同构的高压单斜相(C2/c,γ-As2Te3)。该结果澄清了之前报道的在6.0 GPa附近发生α-As2Te3®β-As2Te3(R-3m)结构相变的争议。5)实验证实α-As2Te3在3.0和6.0GPa附近经历了两次电子相变。这两次电子相变是前人报道的α-As2Te3的热电性能发生显著变化的根本原因。
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