北京同步辐射装置高压实验站发现立方钙钛矿的等结构相变

2010-8-24 16:38 来源: 中国科学院
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  中国科学院广州地球化学研究所肖万生研究组、中国科学院高能物理研究所和中国工程物理研究院流体物理研究所的合作研究人员,利用北京同步辐射装置(BSRF)的高压衍射技术,在对钙钛矿结构氧化物PbCrO3的高压行为研究中,发现了一个奇特的压致等结构相变现象,这一立方到立方的结构转变导致近10%的体积变化。这是立方钙钛矿结构化合物等结构相变现象的首例发现,研究结果最近发表在美国国家科学院院刊上(PNAS,2010,107,14026-14029)。这一发现开启了一类全新的钙钛矿结构高压行为研究的大门,将对固体物理、化学、材料科学和地球科学产生重要的影响。

  钙钛矿结构是一种在物理学、材料科学和地球科学中均具有重要科学意义的结构类型,这一致密结构在外部环境(如温度、压力)变化时,通过共角顶配位八面体的畸变、旋转和相互倾斜来调整结构,甚至改变对称性从而导致相变发生。通常情况下这种相变并不表现出键长显著的不连续变化,不会导致体积的显著改变。而本工作中PbCrO3立方钙钛矿压致等结构相变导致异常大的体积变化及其蕴含的奇特物理机制,对传统的钙钛矿相变理论研究提出了新的挑战。

  表征PbCrO3等结构相变现象关键的高压原位X射线衍射数据在BSRF高压实验站获得,本研究成果得益于实验站先进的高压原位角色散X射线衍射技术和与金刚石对顶砧高压装置相关实验设施的强力支撑。压力作为一个基本物理条件,可以有效缩短物质中原子的间距、增加相邻电子轨道的重叠,从而改变物质的晶体结构、电子结构和原子(分子)间的相互作用,形成全新的物质状态。金刚石对顶砧超高压技术与同步辐射X射线衍射技术相结合,是目前研究高压下物质结构变化的重要手段之一。中国科学院知识创新重要方向项目的资助为实验站高压衍射技术的发展和本研究的开展提供了重要保障。

  广州地球化学所高压研究组与高能所BSRF高压站有长期的合作关系,并与贵阳地球化学所一起共同承担完成了两项院知识创新重要方向项目,利用同步辐射高压实验技术开展了一系列地球深部物质以及钙钛矿结构化合物的研究。

  

  等结构相变过程的高压原位X射线衍射图像

  

  PbCrO3立方钙钛矿高、低压相的压力-体积关系,显示相变导致9.8%的体积变化