研究获得高压下Bi-Te替代合金

　　三碲化二铋 (Bi2Te3) 在常压下是一种 “神奇”的半导体材料，它不仅是性能极为优良的热电材料，而且还是最为简单的拓扑绝缘材料。因其具有的奇异物理特性，致力于发现Bi2Te3其他结构形态的高压结构相变研究也备受关注。在高压条件下，由于物质的晶体结构和原子间化学键合的显著变化，使得人们可以发现一些无法在常压条件下发现的新奇物理现象。最近，吉林大学超硬材料实验室马琰铭研究组在Bi2Te3高压结构相变研究上获得了进展，发现Bi2Te3 在高压下转变为奇特的替代合金。相关研究结果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letter) 上。

　　1972 年实验发现 Bi2Te3在高压下发生了结构相变，后期的研究证实Bi2Te3在高压下存在两个新相。但由于理论技术和实验条件的限制，这两个高压新相的结构一直未能确定。近期，马琰铭研究组利用自主发展的基于粒子群优化算法的晶体结构预测技术 [参见Wang 等人, Physical Review B 82, 094116 (2010)和 CALYPSO 软件包 (http://nlshm-lab.jlu.edu.cn/calypso.html) ]，结合高压同步辐射X-射线衍射实验，确定了这两个高压相的结构。同时在更高压力以上，发现 Bi2Te3 竟然转变为一个具有无序体心立方结构的Bi-Te替代合金。该替代合金的形成，主要是由于高压下Bi和Te之间的电荷转移导致的，此时Bi原子和Te原子的原子半径趋近于相等，是形成替代合金的关键。合金的生成通常会明显改善元素单质的性质，例如，合金钢的强度远大于其主要组成元素铁，被广泛利用于工业生产上。通常合金由各组分熔合成均匀的液体，再经冷凝得到。本研究首次发现具有确定化学配比的半导体化合物在高压下会直接形成替代合金，这为新合金材料的合成和探索提供了一个途径。

　　该工作由吉林大学独立完成，并得到了国家自然科学基金委的资助。