硫化亚锡(Sn S)和硒化亚锡(Sn Se)是具有层状正交晶体结构的IV-VI族P型半导体材料,光学带隙介于Si(1.12 e V)和Ga As(1.43 e V)之间,其独特的光电转化特性使其与太阳能辐射有很好的光谱匹配,适用于太阳能电池的光吸收层、电致发光显示器的近红外探测材料和光电器件等。此外,Sn S和Sn Se还在锂电池电极方面具有广泛应用。最近,Sn Se还作为“最简单”的热电材料引起了人们的广泛关注。随着微电子和光电子器件对集成化程度越来越高的需求,单个元件的尺寸将向纳米尺度发展,这类新型的层状半导体材料Sn S和Sn Se已成为国际纳米材料研究的前沿和热点。目前,国内外许多研究小组分别利用不同的方法对Sn S和Sn Se纳米材料进行了广泛的研究,但大多数的研究集中在多种纳米结构的制备和常压下的物性研究,并且制备方法多为化学合成方法,通常这些方法需要复杂的反应过程,价格昂贵且有毒的反应原料,一些制备方法还需要相当长的反应时间。高压(High-Pressure)是研究组成物质的原子排列、电子态分布、调节能带间隙和优化物理性质的一种重要方法。将高压极端条件与纳米材料相结合,形成的新型交叉研究领域是物质科学研究中新的生长点和前沿研究领域。纳米材料的高压研究结果表明,由于纳米材料在尺寸和形貌上与体材料有很大差异,导致其表面能呈多样化、内部原子排布出现差别、相变弛豫过程发生改变,从而表现出明显不同于其体材料的高压行为。目前,高压等极端条件下层状结构半导体材料Sn S和Sn Se的实验和理论研究才刚刚开始,并且对Sn S和Sn Se纳米材料的系统性高压研究至今尚未见报道。本文利用直流电弧等离子体放电装置,以锡粉,硫粉,硒粉为反应原料,实现可控制备Sn S、Sn Se、Sn SxSe1-x不同元素配比的多种低维纳米结构。结合金刚石对顶砧高压实验技术和原位高压测量技术,对所制备样品的高压相变行为进行了系统地研究。具体内容如下:1.利用直流电弧等离子体放电装置,以锡粉(Sn)和硫粉(S)作为反应原料,二者按摩尔比1:1进行配比,工作环境气体为10 k Pa氩气,初始电流为100 A,工作电压为18 V,放电反应时间为3 min。在顶盖和冷凝壁靠近阳极区域分别收集到Sn S纳米片和Sn S纳米颗粒,并对样品进行多种基础物性表征。2.利用直流电弧等离子体放电装置,以锡粉(Sn)和硒粉(Se)作为反应原料,二者按摩尔比1:1进行配比。工作环境气体为5 k Pa氩气和5 k Pa氮气,初始电流为80 A,工作电压为18 V,放电反应时间为2 min。在顶盖和冷凝壁靠近阳极区域分别收集到Sn Se纳米片和Sn Se纳米颗粒,并对样品进行多种基础物性表征。3.利用直流电弧等离子体放电装置,以锡粉(Sn)、硒粉(Se)和硫粉(S)作为反应原料,通过改变初始原料配比,制备不同元素比例的Sn SxSe1-x三元纳米材料。工作环境气体为总量10 k Pa的不同比例氮氩混合气,初始电流范围为80~100 A,工作电压为18 V,放电反应时间为2~3 min。在顶盖和冷凝壁靠近阳极区域分别收集到Sn SxSe1-x纳米片和Sn SxSe1-x纳米颗粒,并对样品进行多种基础物性表征。4.利用原位高压X射线衍射技术和原位高压拉曼散射技术对Sn S纳米片样品的高压行为进行了系统地研究。研究发现,Sn S纳米片在3.0 GPa时发生从正交结构Pnma空间群向正交结构Cmcm空间群的二阶连续等结构相变。在12.7 GPa时,再次发生从正交结构向单斜结构的一阶结构相变。研究后发现,两次结构相变的相变压力点均低于其体材料,这是由Sn S常压晶胞体积膨胀带来的泊松比和剪切模量软化所引起的。此外,Sn S纳米片初始相Pnma结构的体积弹性模量与其体材料相近,这一反常压缩特性是由纳米片的特殊片层状晶体几何结构决定的。而高压相Cmcm结构的体弹模量却远高于其体材料,这是由于Sn S纳米片发生压致形貌改变后,具有了更高的表面能所导致的。同时,Sn S纳米片单斜相的体弹模量与其体材料相近,这是由于高压环境下Sn S单斜结构的纳米效应不明显,从而表现与其体材料相似的压缩性。5.利用高压X射线衍射技术和高压拉曼散射技术对Sn Se纳米片的高压行为进行了系统地研究。研究发现,Sn Se纳米片在6.8 GPa时同样发生了从正交结构Pnma空间群向正交结构Cmcm空间群的二阶连续等结构相变。Sn Se纳米片的相变压力点低于其体材料,这也是由于Sn Se常压下的晶胞体积异常膨胀所引起的泊松比和剪切模量软化造成的。Sn Se纳米片初始相的体积弹性模量与其体材料相近,这同样是由纳米片自身的特殊晶体结构所决定的。Sn Se纳米片高压相的体积弹性模量高于其体材料,这是由于Sn Se纳米片的形貌在压力下发生了改变,而小尺寸Sn Se纳米片具有很高的表面能所导致的。6.Sn S和Sn Se纳米片独特压致现象的成功发现,以及对产生这些新现象的原因给予的合理解释,都有助于深入了解金属硫化物片层状纳米结构的本质物理属性。本工作的意义不仅在于首次系统性地提出了有关金属硫化物纳米材料高压行为的相关信息,更在于为整个IV-VI族金属硫化物纳米材料的可控制备及其压致相变行为研究提供了新方法和新思路。