2011CB808200-超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)27頁(yè)

1、項(xiàng)目名稱：超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)首席科學(xué)家：崔田 吉林大學(xué)起止年限：2011.1至2015.8依托部門：教育部二、預(yù)期目標(biāo)本項(xiàng)目的總體目標(biāo)： 在超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)前沿領(lǐng)域做出重要原創(chuàng)性的工作，獲得一批國(guó)際水平的研究成果，形成我國(guó)有特色的高壓科學(xué)研究體系，造就一支具有創(chuàng)新思維的中青年高壓研究隊(duì)伍，使中國(guó)高壓研究的總體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，進(jìn)一步提升在國(guó)際高壓界地位。五年預(yù)期目標(biāo): 為完成總體目標(biāo)，集中進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作： 1）超高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能，2）超高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為， 3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化，4）超高壓下的化合物半導(dǎo)

2、體的電輸運(yùn)與新效應(yīng)，5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的微結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控。揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化；獲得不同壓力-溫度-組分空間中，新型含3d、4d、5d關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源；總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律；揭示高壓下準(zhǔn)一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律；揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律；在新型材料的超

3、高壓合成方面，由唯象研究上升到注重內(nèi)在物理本質(zhì)的探索，獲取截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。合成出3d、4d、5d族3種以上Mott有序化和Stoner型磁電新材料、3-5種有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料。預(yù)期的科學(xué)研究成果：擬在SCI收錄的國(guó)內(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文300篇以上，撰寫13部專著，申報(bào)高水平的獎(jiǎng)勵(lì)35項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利15-25項(xiàng)。同時(shí)培養(yǎng)高壓領(lǐng)域的拔尖人才以及學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)博士研究生50名、碩士研究生200名。三、研究方案1）學(xué)術(shù)思路： 在前期973項(xiàng)目建立的多項(xiàng)高壓技術(shù)的基礎(chǔ)上，突出創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新物質(zhì)，創(chuàng)建新理論，形成有特色的高壓科學(xué)研究體系。將若干個(gè)

4、有重大科學(xué)意義的國(guó)際高壓科學(xué)前沿基礎(chǔ)問題作為重點(diǎn)，通過跨領(lǐng)域的緊密合作，在某課題上再利用動(dòng)高壓對(duì)靜高壓的補(bǔ)充作用，集成優(yōu)勢(shì)攻關(guān)。從構(gòu)建研究體系入手，本著從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、從小尺寸到體材料的原則，選擇具有代表性、倍受關(guān)注的物質(zhì)體系作為研究對(duì)象，確定高壓相結(jié)構(gòu)，獲得超高壓下的相變過程與規(guī)律。利用超高壓下原位測(cè)量實(shí)驗(yàn)和高壓理論，深入認(rèn)識(shí)超高壓下典型凝聚態(tài)物質(zhì)新的原子空間分布和新的電子狀態(tài)以及微觀相互作用規(guī)律，揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的高壓調(diào)制、演化過程以及截獲特殊的高壓相。2）技術(shù)途徑： 實(shí)驗(yàn)途徑：利用高壓原位x光衍射實(shí)驗(yàn)，研究高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；利用金剛石對(duì)頂砧集成測(cè)量電路，研究超高壓下的原位

5、電導(dǎo)率、阻抗譜和霍爾效應(yīng)等電輸運(yùn)性質(zhì)；利用原位高壓光譜學(xué)方法研究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，聲子狀態(tài)以及光學(xué)性質(zhì)等；利用高壓Mossbauer譜、X光非彈性散射方法，研究原子電子狀態(tài)的變化；采用大體積高壓設(shè)備如六面頂壓機(jī)和二級(jí)推進(jìn)壓機(jī)，開展系統(tǒng)的高溫高壓合成實(shí)驗(yàn)研究，合成出理論上設(shè)計(jì)出的新型高壓相材料。利用沖擊波動(dòng)高壓原位結(jié)構(gòu)與性能的探測(cè)，對(duì)靜高壓研究進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)多路徑高原位研究。通過對(duì)多實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)同一環(huán)境下的多物理量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的物理參數(shù)表征，構(gòu)建物理量之間的客觀聯(lián)系。理論途徑：利用蒙特卡羅、分子動(dòng)力學(xué)、從頭算分子動(dòng)力學(xué)等方法研究超高壓力下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)相變及其動(dòng)力學(xué)過程

6、；利用第一原理的密度泛函理論，研究高壓相的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電子狀態(tài)的變化，以及光學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)等性質(zhì)等。3）創(chuàng)新點(diǎn)與特色： （1）研究體系的構(gòu)建：從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，從小尺寸到體材料，選擇具有代表性的、倍受關(guān)注的凝聚態(tài)物質(zhì)作為研究對(duì)象，研究體系物理現(xiàn)象豐富。（2）研究方法和技術(shù)：利用我國(guó)自己發(fā)展的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、國(guó)際領(lǐng)先的高壓實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)和表征手段，進(jìn)行多種高壓下原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的測(cè)量。項(xiàng)目組率先建立了世界上第一臺(tái)激光加熱原位高溫高壓Raman光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)唯一的激光加熱原位高溫高壓同步輻射與常規(guī)X光衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及高壓布里淵散射等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，擁有能夠同時(shí)進(jìn)行

7、高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)和彈性、電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)研究的、世界上先進(jìn)的集成原位超高壓技術(shù)。特別是在前期973項(xiàng)目的支持下建立并完善了具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平高壓原位電學(xué)及磁學(xué)測(cè)量技術(shù)，建立的可開展超高壓高溫合成的六八型二級(jí)推進(jìn)高壓高溫合成裝置，大大提升用于高壓高溫合成新材料的壓力上限和創(chuàng)造新材料的可能。我們邀請(qǐng)到我國(guó)動(dòng)高壓專家加盟本項(xiàng)目，研究方法和技術(shù)得到了進(jìn)一步的擴(kuò)充與發(fā)展。利用沖擊波產(chǎn)生動(dòng)高壓，選擇熱力學(xué)可控的新的研究路徑進(jìn)行高溫高壓研究，為取得重大突破提供了新的途徑。（3）研究思路：利用壓力對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特有的調(diào)控作用，深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)、物理性質(zhì)及其本質(zhì)聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)高壓下的新現(xiàn)象和新

8、規(guī)律。找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的高壓相，為合成新物質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。在金屬氫等重大科學(xué)問題的研究方面有獨(dú)特的思路，將利用：靜高壓與其它極端條件結(jié)合、通過動(dòng)高壓嘗試熱力學(xué)可控的新的研究路徑、利用納米限域與高壓的綜合效應(yīng)，探索新的研究之路。（4）科學(xué)問題：研究?jī)?nèi)容是當(dāng)前高壓領(lǐng)域的熱點(diǎn)和基礎(chǔ)前沿問題。在電子狀態(tài)、原子間鍵合方式及其動(dòng)力學(xué)過程等深層次上開展物質(zhì)壓力效應(yīng)的系統(tǒng)研究，能夠揭示壓力效應(yīng)的物理本質(zhì)。4）取得重大突破的可行性分析：（1）高壓下物理量的原位測(cè)量，是高壓科學(xué)賴以生存和發(fā)展的基石。高壓科學(xué)研究水平的高低，強(qiáng)烈依賴于高壓下原位物理量測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度。微型金剛石對(duì)頂砧實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突

9、破，使得在實(shí)驗(yàn)室中可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓以上的靜態(tài)壓力的同時(shí)，能在高壓條件下直接原位測(cè)量物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。參加研究的單位包括二個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、一個(gè)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)國(guó)家正負(fù)電子對(duì)撞中心同步輻射高壓站，擁有國(guó)際先進(jìn)和完備的高壓實(shí)驗(yàn)條件，還自主發(fā)展了國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，如激光加熱高溫高壓拉曼光譜與X光衍射的原位測(cè)量方法、超高壓下的瞬態(tài)測(cè)量和高靈敏高選擇性測(cè)量技術(shù)、新一代集成高壓技術(shù)，新六八型二級(jí)推進(jìn)型超高壓高溫合成裝置，這些實(shí)驗(yàn)條件，有的已經(jīng)成功應(yīng)用到前期973項(xiàng)目中，有的是在前期973項(xiàng)目中得以完善和發(fā)展的，為本項(xiàng)目的完成提供了可靠的技術(shù)保障。同時(shí)，也大大提高了做出國(guó)際領(lǐng)先、原創(chuàng)性成果的

10、可能性。（1）選擇的研究體系是凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)中倍受關(guān)注的對(duì)象，展現(xiàn)出的物理現(xiàn)象十分豐富，存在許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，極有希望取得突破性進(jìn)展。如對(duì)產(chǎn)生金屬氫新機(jī)制的探索、新型關(guān)聯(lián)體系的超高壓研究等，為獲得有影響的重要?jiǎng)?chuàng)新成果，提供了新的途徑；納米材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，超高壓條件的介入，為創(chuàng)新成果的出現(xiàn)增加了新的機(jī)會(huì)。（2）在超高壓條件下揭示物質(zhì)宏觀性質(zhì)與微觀電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是一個(gè)非?；钴S的新領(lǐng)域，容易產(chǎn)生原創(chuàng)性的科研成果，可能形成重大突破。前期973項(xiàng)目的研究中，已經(jīng)取得這方面的主要成果，例如我們發(fā)現(xiàn)金屬鈉在高壓的作用下改變成了新的結(jié)構(gòu)，從而變成了透明的絕緣體，發(fā)表在Nature雜志上。（3）通過研究凝

11、聚態(tài)物質(zhì)的相變規(guī)律，找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的高壓相，再截獲高壓相，制備出新材料，是產(chǎn)生新物質(zhì)的有效途徑。在前期的973項(xiàng)目支持下，我們已經(jīng)利用高壓方法成功地制備出一些全新的高壓相化合物，包括新型關(guān)聯(lián)體系、新型超硬多功能材料等。在這個(gè)他人涉足不多的新領(lǐng)域，用自己研發(fā)的新的方法與技術(shù)，可以尋找出更多的高壓新相材料。（4）承擔(dān)單位有長(zhǎng)期的合作基礎(chǔ)，曾完成了多項(xiàng)科研任務(wù)，包括前期973項(xiàng)目，取得了一批重要研究成果。有一支以年輕人為主、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理富有科技創(chuàng)新能力的研究隊(duì)伍，具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，能掌握超高壓凝聚態(tài)物質(zhì)研究領(lǐng)域的趨勢(shì)和前沿，發(fā)展了有自己特色的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，并且與國(guó)際高壓界有良好的學(xué)術(shù)交

12、流和緊密合作。本項(xiàng)目研究涉及到高壓物理、材料科學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科，不同學(xué)科的交叉融和，多種實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)， 能夠針對(duì)同一問題進(jìn)行多方位的協(xié)同研究，有利于獲得原創(chuàng)性的科研成果。5）項(xiàng)目組織形式采用973項(xiàng)目管理的成功經(jīng)驗(yàn)，由首席科學(xué)家負(fù)責(zé)，集中管理，分工實(shí)施，組織跨學(xué)科、跨單位的聯(lián)合攻關(guān)。6）可行性分析（1）高壓下物理量的原位測(cè)量，是高壓科學(xué)賴以生存和發(fā)展的基石。高壓科學(xué)研究水平的高低，強(qiáng)烈依賴于高壓下原位物理量測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度。微型金剛石對(duì)頂砧實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破，使得在實(shí)驗(yàn)室中可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓以上的靜態(tài)壓力的同時(shí)，能在高壓條件下直接原位測(cè)量物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。參加研究的單位包括二個(gè)國(guó)家重點(diǎn)

13、實(shí)驗(yàn)室、一個(gè)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)國(guó)家正負(fù)電子對(duì)撞中心同步輻射高壓站，擁有國(guó)際先進(jìn)和完備的高壓實(shí)驗(yàn)條件，還自主發(fā)展了國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，如激光加熱高溫高壓Raman光譜與X光衍射的原位測(cè)量方法、超高壓下的瞬態(tài)測(cè)量和高靈敏高選擇性測(cè)量技術(shù)、新一代集成高壓技術(shù)，新六八型二級(jí)推進(jìn)型超高壓高溫合成裝置，這些實(shí)驗(yàn)條件，有的已經(jīng)成功應(yīng)用到前期973項(xiàng)目中，有的是在前期973項(xiàng)目中創(chuàng)建、完善和發(fā)展的，為本項(xiàng)目的完成提供了可靠的技術(shù)保障。同時(shí)，也大大提高了做出國(guó)際領(lǐng)先、原創(chuàng)性成果的可能性。（2）選擇的研究體系是凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)中倍受關(guān)注的對(duì)象，展現(xiàn)出的物理現(xiàn)象十分豐富，存在許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，極有希望取得突

14、破性進(jìn)展。如對(duì)產(chǎn)生金屬氫新機(jī)制的探索、新型關(guān)聯(lián)體系的超高壓研究等，為獲得有影響的重要?jiǎng)?chuàng)新成果，提供了新的途徑；納米材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，超高壓條件的介入，為創(chuàng)新成果的出現(xiàn)增加了新的機(jī)會(huì)。需要強(qiáng)調(diào)的是項(xiàng)目的研究是我們前期973項(xiàng)目的繼承和發(fā)展，多個(gè)課題都是在前期取得的成果和建立的基礎(chǔ)之上展開的，所選擇的研究對(duì)象關(guān)聯(lián)性很大，在完善的研究平臺(tái)的支撐之下，完全有能力在更為寬廣的壓力溫度區(qū)域和組分尺度范圍開展和完成各個(gè)課題的任務(wù)，取得重大突破。（3）在超高壓條件下揭示物質(zhì)宏觀性質(zhì)與微觀電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是一個(gè)非?；钴S的新領(lǐng)域，容易產(chǎn)生原創(chuàng)性的科研成果，可能形成重大突破。前期973項(xiàng)目的研究中，已經(jīng)取得了多

15、項(xiàng)重要成果，例如我們發(fā)現(xiàn)金屬鈉在高壓的作用下改變成了新的結(jié)構(gòu)，從而變成了透明的絕緣體，發(fā)表在Nature雜志上。（4）通過研究凝聚態(tài)物質(zhì)的相變規(guī)律，找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的高壓相，再截獲高壓相，制備出新材料，是產(chǎn)生新物質(zhì)的有效途徑。在前期的973項(xiàng)目支持下，我們已經(jīng)利用高壓方法成功地制備出一些全新的高壓相化合物，包括新型關(guān)聯(lián)體系、新型超硬多功能材料等。在這個(gè)他人涉足不多的新領(lǐng)域，用自己開辟的已經(jīng)成功的新方法，可以尋找出更多的高壓新相材料。（5）承擔(dān)單位有長(zhǎng)期的合作基礎(chǔ)，曾完成了多項(xiàng)科研任務(wù)，包括前期973項(xiàng)目，取得了一批重要研究成果。有一支以年輕人為主、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理富有科技創(chuàng)新能力的研究隊(duì)伍

16、，具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，能掌握超高壓凝聚態(tài)物質(zhì)研究領(lǐng)域的趨勢(shì)和前沿，發(fā)展了有自己特色的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，并且與國(guó)際高壓界有良好的學(xué)術(shù)交流和緊密合作。本課題研究涉及到高壓物理、材料科學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科，不同學(xué)科的交叉融和，多種實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)， 能夠針對(duì)同一問題進(jìn)行多方位的協(xié)同研究，有利于獲得原創(chuàng)性的科研成果。7）課題設(shè)置根據(jù)本項(xiàng)目的總體思路和預(yù)期目標(biāo)，側(cè)重不同的研究體系和研究?jī)?nèi)容，充分利用前期奠定的基礎(chǔ),特別是在高壓技術(shù)和方法方面，本著集中攻關(guān)和適當(dāng)延展的原則，加強(qiáng)協(xié)作及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共享，設(shè)置了五個(gè)研究課題，包括：（1）超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì)；（2）超高壓下的新型關(guān)聯(lián)

17、體系；（3）超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)；（4）超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性；（5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控。課題1、超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì)預(yù)期目標(biāo)：揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能的產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化。深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的電子狀態(tài)、原子價(jià)態(tài)、原子間鍵合以及力學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律，為創(chuàng)造新型能源、功能材料，以及對(duì)新材料合成中的基本問題的理解提供理論支持。研究?jī)?nèi)容：利用原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的靜高壓實(shí)驗(yàn)、沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)和第一原理密度泛函等理論研究相結(jié)合，以單核共價(jià)氫化物（如A

18、lH3、NH3、CH4、SiH4）以及雙核及多核的氫化物（如N2H4、B2H6、H2O2、C2H6、Si2H6等）為研究對(duì)象。探索在存在其它元素化學(xué)預(yù)壓的情況下，這些富氫體系結(jié)構(gòu)隨外界壓力的變化，以及金屬化出現(xiàn)的條件及其性質(zhì)的變化，探索氫的子體系的微觀狀態(tài)隨壓力的變化可能帶來的新奇宏觀性質(zhì)，如高溫超導(dǎo)特性等，為金屬氫的研究提供新的物理圖象和指導(dǎo)。研究壓力對(duì)純氫體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響，同時(shí)研究壓力以及其它外界條件對(duì)氫分子內(nèi)部氫原子間鍵合的綜合影響，探索產(chǎn)生金屬氫的新途徑，從而實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。承擔(dān)單位：吉林大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院課題負(fù)責(zé)人：崔田學(xué)術(shù)骨干：何志、蔡靈倉(cāng)、馬琰銘、經(jīng)福謙、鄒廣田課題2

19、、超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系預(yù)期目標(biāo)：制備3種以上3d、4d、5d族Mott有序化和Stoner型磁電新材料，獲得不同壓力-溫度-組分空間中，新型含3d、4d、5d關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源。研究?jī)?nèi)容：利用高壓條件，在拓寬的壓力-溫度-組分空間，進(jìn)行3d、4d、5d關(guān)聯(lián)體系Mott有序化和Stoner型磁電新材料的高壓合成研究。結(jié)合多種極端條件綜合測(cè)試平臺(tái)，高壓原位研究其異?；瘜W(xué)價(jià)態(tài)、結(jié)構(gòu)和磁性、電性、介電等物理性質(zhì)及其相互作用和轉(zhuǎn)化，總結(jié)高壓下結(jié)構(gòu)變化規(guī)律以及高壓對(duì)材料穩(wěn)定性的影響，建立高壓下新型關(guān)聯(lián)體系結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理特性

20、所產(chǎn)生的全新臨界關(guān)系。針對(duì)Mott有序化和Stoner巡游磁體的熱點(diǎn)問題，如多種有序及其相互作用和轉(zhuǎn)化、配位體對(duì)電子結(jié)構(gòu)的精細(xì)作用、d電子的局域和擴(kuò)展，研究超高壓電子關(guān)聯(lián)和多體效應(yīng)，同時(shí)從理論上預(yù)測(cè)與解釋這些體系的高壓行為，尋找電子結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓力的關(guān)系，深入認(rèn)識(shí)高壓下含有3d、4d、5d的展寬關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為以及微觀相互作用規(guī)律。承擔(dān)單位：中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所課題負(fù)責(zé)人：董成學(xué)術(shù)骨干：陳良辰、李曉東、楊立紅、馮少敏、靳常青課題3、超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)預(yù)期目標(biāo)：總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律；揭示高壓下準(zhǔn)一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化

21、以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律，為高壓下金屬氫的產(chǎn)生提供新的圖像。研究?jī)?nèi)容：采用高壓原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)研究限域于碳/BN納米管、分子篩道等納米體系內(nèi)I2、N2等典型雙原子分子體系、H2O等含氫分子體系的高壓結(jié)構(gòu)變化，探索其相變的物理機(jī)制；尋找這些體系在準(zhǔn)一維限域下發(fā)生金屬化的條件，探索其金屬化物理機(jī)制；研究它們?cè)跍?zhǔn)一維限域下向原子相的轉(zhuǎn)變的規(guī)律，揭示小分子體系在高壓下由分子相到原子相的分子解離機(jī)制，弄清高壓下金屬相的形成過程，力爭(zhēng)獲得限域于納米管內(nèi)固態(tài)小分子體系全新的壓致結(jié)構(gòu)相變規(guī)律全然不同于體材料的新規(guī)律。針對(duì)三聚氰胺、胍等超分子體系，重點(diǎn)研究高壓原位結(jié)構(gòu)變化，高壓下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化，

22、獲得分子間弱相互作用力與分子內(nèi)強(qiáng)相互作用之間的相互變化規(guī)律。該研究不僅有助于加深對(duì)納米限域體系獨(dú)特的結(jié)構(gòu)變化、原子分子間鍵合以及光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也將為獲得全新的納米級(jí)新材料提供新途徑。承擔(dān)單位：吉林大學(xué)、清華大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：劉冰冰學(xué)術(shù)骨干：崔啟良、姚明光、王霖、鄒勃、王治強(qiáng)課題4、超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性預(yù)期目標(biāo)：揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律。研究?jī)?nèi)容：在已有的高壓下多物理量分別測(cè)量的基礎(chǔ)上，突破多物理量聯(lián)合測(cè)量的技術(shù)難題，將電導(dǎo)率、介電

23、常數(shù)、磁阻率、霍爾系數(shù)、載流子濃度、遷移率等描述物質(zhì)電輸運(yùn)性質(zhì)的物理量測(cè)量集成起來，實(shí)現(xiàn)多物理量的聯(lián)合測(cè)量，在同等溫度壓力條件下對(duì)樣品的多物理量進(jìn)行全方位表征，使所測(cè)量的物理量能夠準(zhǔn)確反映物質(zhì)的性質(zhì)，進(jìn)而建立高壓下各物理量之間的關(guān)聯(lián)和制約關(guān)系。課題將以典型的化合物半導(dǎo)體為對(duì)象，進(jìn)行高壓下結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。從高壓下的結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、磁阻率、介電常數(shù)、霍爾效應(yīng)表征入手，研究壓力作用下載流子的形成、類型、遷移率、濃度、有效質(zhì)量等物理性質(zhì)隨壓力的變化關(guān)系和各物理參數(shù)之間的聯(lián)系，獲得壓力作用下從半導(dǎo)體到半金屬直至金屬化狀態(tài)時(shí)載流子行為的演化規(guī)律和變化特征，建立帶電粒子間相互作用與電輸運(yùn)性質(zhì)

24、轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系，比較ns、np、nd價(jià)電子間的相互作用隨壓力變化的差異和不同殼層價(jià)電子間相互作用隨壓力的變化規(guī)律。承擔(dān)單位：吉林大學(xué)、燕山大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：高春曉學(xué)術(shù)骨干：彭剛、韓永昊、劉洪武、王欣、張湘義課題5、超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控預(yù)期目標(biāo)：研制3-5種有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料，獲得這些新型功能晶體的狀態(tài)方程和相變規(guī)律，積累這些晶體的晶體學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。研究?jī)?nèi)容：探索截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。針對(duì)過渡金屬硼化物、碳化物、氧化物及B-C-N-O輕元素體系，通過理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的相互印證，認(rèn)識(shí)超高壓導(dǎo)致物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)發(fā)

25、生突變的物理本質(zhì)；確定核外電子價(jià)鍵狀態(tài)及原子排列方式在超高壓下失穩(wěn)的物理判據(jù)與邊界條件；預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)和合成在超高壓下可出現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì)及晶體/非晶體結(jié)構(gòu)；探索超高壓條件下材料內(nèi)部原子/原子基團(tuán)擴(kuò)散、晶體成核和生長(zhǎng)規(guī)律，由此調(diào)制材料的微結(jié)構(gòu)與相組成。在高壓下制備出3-5種新型過渡金屬硼化物、碳化物、氧化物及B-C-N-O輕元素體系化合物亞穩(wěn)相與相應(yīng)的高性能納米結(jié)構(gòu)復(fù)合塊體材料。利用超高壓手段和原位測(cè)試技術(shù)，測(cè)量這些新型功能晶體的狀態(tài)方程并研究壓制相變規(guī)律。承擔(dān)單位：燕山大學(xué)、四川大學(xué)課題負(fù)責(zé)人：田永君學(xué)術(shù)骨干：何巨龍、于棟利、賀端威、于鳳榮、彭放課題間關(guān)系根據(jù)本項(xiàng)目的總體思路和預(yù)期目標(biāo)，側(cè)重不同的研

26、究體系和研究?jī)?nèi)容，充分利用前期奠定的基礎(chǔ),特別是在高壓技術(shù)和方法方面，本著集中攻關(guān)和適當(dāng)延展的原則，加強(qiáng)協(xié)作及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共享，設(shè)置了五個(gè)研究課題，包括：（1）超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì)；（2）超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系；（3）超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)；（4）超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性；（5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控。從常規(guī)體系（課題1、3、4、5）到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系（課題2），從小尺寸（課題3）到大尺寸體系（課題1、2、4、5），多層次、多角度地選擇了凝聚態(tài)物質(zhì)，形成了豐富的研究體系。全面而深入地認(rèn)識(shí)常規(guī)體系的高壓行為，以及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)和小尺寸帶來的新

27、現(xiàn)象。課題間的聯(lián)系可以由下面的框圖很好地說明。課題1、4、5針對(duì)常規(guī)體系的高壓行為進(jìn)行研究，這些課題間成果的交流與互補(bǔ)，易于認(rèn)識(shí)高壓下的基本規(guī)律，構(gòu)建新的理論模型，建立新的方法。將他們的基本的數(shù)據(jù)與規(guī)律提供給課題2和課題3，有利于從眾多復(fù)雜效應(yīng)中，揭示出電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)的壓力效應(yīng)（課題2）以及小尺寸與壓力的協(xié)同效應(yīng)（課題3）。而高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)和小尺寸的規(guī)律，又可以反饋于常規(guī)體系的研究，對(duì)于發(fā)現(xiàn)壓力下的新奇反常行為有益。同時(shí)各個(gè)課題之間還會(huì)有高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論方法方面的相互支撐。課題1、3、4將聯(lián)合攻關(guān)，力爭(zhēng)在物質(zhì)壓致金屬化的研究方面取得突破。四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年1、研究靜高壓和動(dòng)高

28、壓下SiH4、NH3等固體的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律、金屬化和分子解離過程與機(jī)制，弄清金屬化條件；探索壓力和高溫、短波長(zhǎng)脈沖激光等其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)這些固體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合和性質(zhì)的影響；在給定溫度和超高壓條件下，進(jìn)行純氫體系結(jié)構(gòu)、光譜學(xué)以及電學(xué)性能的超高壓研究。2、進(jìn)行AMO3化合物（A為堿土金屬、M為過渡金屬）3d族（Cu基, Fe基 Mn基等）等過渡金屬的新型Mott有序化和Stoner巡游特性化合物的高壓合成；研究它們?cè)诓煌瑝毫囟冉M分空間的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以及在高壓低溫磁場(chǎng)綜合極端條件下的電性、磁性和結(jié)構(gòu)。3、合成出碳/氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板及其I2、N2等雙原

29、子分子納米限域復(fù)合體系；合成出含半導(dǎo)體發(fā)光探針分子的納米限域體系。研究高壓、室溫條件下上述體系的晶格振動(dòng)和晶體結(jié)構(gòu)的變化；探索高壓下三聚氰氯等鹵鍵超分子體系的結(jié)構(gòu)相變。4、構(gòu)建超高壓下原位多物理量聯(lián)合測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；進(jìn)行高壓下典型氧化物半導(dǎo)體電輸運(yùn)性質(zhì)的多物理量聯(lián)合表征。5、開展亞穩(wěn)化合物高壓相結(jié)構(gòu)、存在條件、相變規(guī)律的理論研究工作，預(yù)測(cè)高壓相化合物的物理性質(zhì)；開展亞穩(wěn)化合物的高壓合成，確定晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)試材料性能，制備出單元素填充的CoSb3化合物，測(cè)試熱電性能。1、從理論上弄清SiH4、NH3等固體的金屬化條件與行為，初步認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)這些固體金屬化過程以及分子解離過程的綜合效應(yīng)；從

30、理論上確認(rèn)純氫固體的超高壓結(jié)構(gòu)以及部分結(jié)構(gòu)相變規(guī)律。2、高壓合成幾種單相的Mott有序化和Stoner巡游特性化合物；確定這些化合物的基本結(jié)構(gòu)及其和物性關(guān)聯(lián)；揭示這些化合物的d殼層價(jià)電子在多重極端條件下的特殊物理行為、結(jié)構(gòu)演化及相互關(guān)聯(lián)效應(yīng)。3、揭示納米限域模板體系及其分子限域體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；深入認(rèn)識(shí)壓力下鹵鍵相互作用變化規(guī)律。4、建立基于金剛石對(duì)頂砧技術(shù)的多物理量原位測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓下多物理量的聯(lián)合表征；給出氧化物半導(dǎo)體在壓致相變過程中各物理量的變化規(guī)律。5、設(shè)計(jì)出3-5種B-C-N、過渡族金屬碳化物、氧化物高壓相多功能材料，至少合成出1種新亞穩(wěn)相材料，完成Li填充CoSb3化合物的制

31、備并優(yōu)化其熱電性能。6、發(fā)表SCI論文40-50篇，申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利35項(xiàng)。第二年1、開展動(dòng)態(tài)和靜態(tài)超高壓下AlH3、CH4等固體的結(jié)構(gòu)相變、金屬化和分子解離機(jī)制的研究，理論確定金屬化條件；繼續(xù)開展靜態(tài)超高壓下固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)相變的物理機(jī)制的研究并探索動(dòng)態(tài)超高壓的作用；開展壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過程的影響等方面的原位實(shí)驗(yàn)研究工作。2、在單層化合物的基礎(chǔ)上開展層狀（A3M2O7和A4M3O10型）新型過渡金屬M(fèi)ott有序化和Stoner巡游特性化合物的高壓合成（A為堿土金屬、M為過渡金屬）；研究層狀Mott有序化和Stoner巡游特性化合物在不同壓力溫度組

32、分空間結(jié)構(gòu)特征、形成過程與控制、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系；運(yùn)用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)條件原位測(cè)試這些新化合物的磁電響應(yīng)特性。3、針對(duì)碳/氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板體系及其I2、N2等雙原子分子納米限域復(fù)合體系，開展高壓和其它條件下（如高溫、光照）的晶格振動(dòng)、晶體結(jié)構(gòu)的變化、高壓新相的形成和結(jié)構(gòu)演化等研究，及其高壓下的光學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律。初步開展Br2、O2納米限域體系的合成工作。探索高壓下甲基磺酸胍等氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)的超分子體系的結(jié)構(gòu)相變。4、改進(jìn)與優(yōu)化超高壓下原位多物理量聯(lián)合表征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的；研究超高壓下氧化物半導(dǎo)體的電導(dǎo)率、載流子濃度、遷移率、活化能之間的聯(lián)系與制約關(guān)系以及超高壓下典

33、型氧化物半導(dǎo)體的金屬化相變和相轉(zhuǎn)變機(jī)理。 5、繼續(xù)開展高壓相多功能化合物的理論預(yù)測(cè)研究工作；進(jìn)行過渡族金屬氧化物高壓相的實(shí)驗(yàn)合成研究；繼續(xù)開展CoSb3化合物的單元素高壓填充研究，同時(shí)開展雙元素填充的研究，測(cè)試熱電性能 1、建立高溫高壓區(qū)域SiH4、NH3等固體的相圖，實(shí)現(xiàn)其中一種材料的壓致金屬化，并揭示金屬化之后的奇異性質(zhì)。從理論上弄清AlH3、CH4等固體的金屬化條件與機(jī)制；確認(rèn)純氫固體的超高壓結(jié)構(gòu)以及部分結(jié)構(gòu)相變規(guī)律。初步認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)結(jié)構(gòu)相變的綜合效應(yīng)。2、高壓合成幾種層狀Mott有序化和Stoner巡游特性化合物，確定這些化合物的基本結(jié)構(gòu)、探討d殼層電子層間耦合對(duì)Mott有

34、序化和Stoner巡游特性的作用。揭示高壓對(duì)結(jié)構(gòu)維度可變的Mott有序化和Stoner巡游體的結(jié)構(gòu)、磁性、電學(xué)特性的基本作用規(guī)律。3、總結(jié)納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，弄清其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制；深入認(rèn)識(shí)壓力對(duì)納米限域材料的發(fā)光等物理性質(zhì)的影響以及壓力下氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。4、完成典型氧化物超高壓下的電輸運(yùn)性質(zhì)的表征，確定電導(dǎo)率、遷移率、載流子濃度、活化能之間的依賴關(guān)系，獲得高壓下氧化物半導(dǎo)體電輸運(yùn)行為的物理規(guī)律。5、設(shè)計(jì)出3-5種B-C-N、過渡族金屬碳化物、氧化物高壓相多功能材料并至少合成出1種新的過渡族金屬氧化物高壓相材料；制備出ZT值大于1.5的高性能n型CoSb3基熱電材料。6、

35、發(fā)表SCI論文4060篇，申報(bào)專利3-5項(xiàng)。第三年1、開展動(dòng)態(tài)和靜態(tài)超高壓下N2H4、B2H6等固體的結(jié)構(gòu)相變、金屬化和分子解離機(jī)制的研究，確定金屬化條件。繼續(xù)開展超高壓下固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)相變的研究，理論確定氫金屬化的條件和金屬化之后的奇異特性。利用動(dòng)高壓技術(shù)找到某種溫度與壓力條件，實(shí)現(xiàn)金屬化；開展壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過程的影響的原位研究。2、高壓高溫合成和研究異價(jià)元素替代對(duì)Mott和Stoner型化合物的結(jié)構(gòu)和基本物理性質(zhì)的作用規(guī)律；原位研究高壓對(duì)摻雜型Mott和Stoner型化合物的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和自旋有序變化的調(diào)控機(jī)制；運(yùn)用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)

36、量摻雜型Mott有序化和Stoner巡游特性化合物對(duì)綜合極端條件的物理響應(yīng)。3、合成碳/氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板體系及其Br2、O2等雙原子分子納米限域復(fù)合體系；繼續(xù)合成出含半導(dǎo)體發(fā)光探針分子的納米限域體系；在室溫下研究高壓下上述納米限域復(fù)合納米體系的晶格振動(dòng)和晶體結(jié)構(gòu)的變化。探索高壓下典型氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)的超分子體系的結(jié)構(gòu)相變。4、進(jìn)行超高壓下典型III-V族半導(dǎo)體電輸運(yùn)性質(zhì)的多物理量聯(lián)合表征；研究系列III-V族化合物半導(dǎo)體的壓致金屬化規(guī)律和相變機(jī)制；探索不同價(jià)電子組態(tài)下的壓致電輸運(yùn)行為變化的特點(diǎn)、金屬化相變與價(jià)電子組態(tài)的關(guān)系。5、繼續(xù)開展高壓相化合物的理論預(yù)測(cè)研究工作；開

37、展多種高壓相化合物的實(shí)驗(yàn)合成方面的探索；開展高壓下不同載流子類型的填充型CoSb3化合物的探索；測(cè)定各高壓相的結(jié)構(gòu)和力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)。1、在超高壓力范圍，建立AlH3、CH4等固體的相圖并實(shí)現(xiàn)至少一種材料的壓致金屬化；從理論上弄清N2H4、B2H6等固體的金屬化機(jī)制，弄清金屬化條件；總結(jié)壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)單核富氫化合物的金屬化和分子解離的作用規(guī)律；從理論上確定純氫體系的金屬化條件。深入認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)純氫體系結(jié)構(gòu)相變的綜合效應(yīng)。2、通過對(duì)磁電、多重鐵性、超導(dǎo)等結(jié)構(gòu)及性能的研究，確立混合價(jià)態(tài)對(duì)Mott有序化和Stoner巡游特性演化的影響機(jī)制；揭示壓力作用下d殼層價(jià)電子

38、軌道雜化對(duì)Mott有序化和Stoner巡游型化合物微結(jié)構(gòu)、物性的作用規(guī)律；探索摻雜型Mott有序化和Stoner巡游特性在高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)多重極端條件的新量子現(xiàn)象。3、合成出部分復(fù)合納米限域體系；探索復(fù)合納米限域體系壓致結(jié)構(gòu)相變歷程；揭示納米受限條件下體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；揭示壓力下氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。4、完成系列III-V族化合物半導(dǎo)體高壓下電輸運(yùn)性質(zhì)變化規(guī)律的多物理量表征，確定壓致金屬化相變規(guī)律以及金屬化行為與價(jià)電子組態(tài)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。5、設(shè)計(jì)出2-4種B-C-N、過渡族金屬硼化物、氧化物高壓相多功能材料，至少合成出1種新的高壓相多功能材料，獲得高性能p型CoSb3基熱電材料。6、發(fā)表SCI

39、論文60-70篇，申報(bào)專利3-5項(xiàng)。第四年1、開展動(dòng)、靜超高壓下H2O2、C2H6等固體的金屬化研究；繼續(xù)進(jìn)行純氫體系的超高壓原位實(shí)驗(yàn)研究，注重三百萬(wàn)大氣壓以上的實(shí)驗(yàn)工作，利用動(dòng)高壓加載技術(shù)，弄清更多純氫體系的金屬化溫度與壓力條件，初步建立氫金屬化的動(dòng)高壓相轉(zhuǎn)變曲線；開展壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過程的影響等原位實(shí)驗(yàn)研究工作。2、用等價(jià)元素替代研究結(jié)構(gòu)畸變度對(duì)Mott有序化和Stoner巡游型化合物的結(jié)構(gòu)和物理本征特性的作用；高壓原位研究結(jié)構(gòu)畸變對(duì)電子和磁結(jié)構(gòu)及其相互耦合的調(diào)制；采用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)等綜合極端條件研究不同畸變度的Mott有序化和Stoner巡游型化

40、合物的電磁性能及與結(jié)構(gòu)組成的關(guān)系。3、研究高壓和高溫、光照等其它條件下聚合新相的形成和結(jié)構(gòu)演化歷程及其相應(yīng)的物理性質(zhì)；針對(duì)不同的復(fù)合納米體系，在室溫、高壓條件下開展電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律的研究；開展碳/氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板中含H2O等含氫分子復(fù)合限域體系的合成；探索高壓下鄰氨基苯甲酸等有機(jī)晶體多晶型的結(jié)構(gòu)相變。4、進(jìn)行高壓下典型半導(dǎo)體（氧化物、III-V和II-VI族）的光、電、熱、磁效應(yīng)的多物理量表征；研究各種效應(yīng)中物理參量的變化規(guī)律及相互之間的關(guān)聯(lián)和制約。5、繼續(xù)開展高壓相多功能化合物的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)合成工作，開展其他籠型化合物的高壓填充研究，探索高壓相的

41、功能性質(zhì)與成分、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系；開展納米晶塊材的高壓燒結(jié)研究。1、在超高壓力范圍，建立N2H4、B2H6等固體的相圖，實(shí)現(xiàn)至少一種材料的壓致金屬化并揭示金屬化之后的奇異性質(zhì)；弄清H2O2、C2H6等固體的金屬化條件；從理論上確定超高壓下純氫體系金屬化之后晶體結(jié)構(gòu)的變化及其奇異特性，揭示壓力和其它外界條件對(duì)純氫體系金屬化相變的綜合效應(yīng)。2、闡明d殼層價(jià)電子間距和鍵角的變化對(duì)Mott有序化和Stoner巡游特性的影響機(jī)制；建立壓力對(duì)Mott有序體和Stoner巡游體結(jié)構(gòu)畸變調(diào)制的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律；探明這些Mott有序化和Stoner巡游型化合物在高壓綜合極端條件結(jié)構(gòu)、性能變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)特殊性能。

42、3、繼續(xù)合成出部分復(fù)合納米限域體系，獲得復(fù)合納米限域體系的壓致相變規(guī)律及可能的相變機(jī)制，揭示壓力對(duì)部分準(zhǔn)一維復(fù)合納米材料的發(fā)光等性質(zhì)的影響規(guī)律，為超硬納米線、準(zhǔn)一維超導(dǎo)線的實(shí)驗(yàn)合成提供物理基礎(chǔ)；深入認(rèn)識(shí)壓力下多晶型中氫鍵的變化規(guī)律。4、獲得高壓下化合物半導(dǎo)體的各種特殊物理效應(yīng)隨壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律和新效應(yīng)5、至少合成出1種新的過渡族金屬硼化物、氧化物高壓相多功能材料，獲得高熱電性能的填充型化合物新材料，建立高壓相的功能性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系6、發(fā)表SCI論文60-70篇，申報(bào)3-5項(xiàng)發(fā)明專利。第五年1、完成動(dòng)、靜超高壓下典型富氫體系的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作；完成超高壓條件下純氫體系的研究，

43、力爭(zhēng)找到氫金屬化的實(shí)驗(yàn)壓力；完成動(dòng)高壓下純氫體系的研究工作，建立多溫度壓力點(diǎn)構(gòu)成的氫金屬化的動(dòng)高壓相轉(zhuǎn)變曲線；完成壓力和其它外界條件下純氫體系的研究工作，找到氫的金屬化條件，實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。2、高壓合成和研究非化學(xué)計(jì)量比（主要指非金屬元素）Mott有序體和Stoner巡游體及基態(tài)演化；用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)多重極端條件研究對(duì)非化學(xué)計(jì)量比的Mott有序體和Stoner巡游體化合物的結(jié)構(gòu)、磁電和及其耦合效應(yīng)的作用。3、完成高壓和高溫、光照等其它條件下復(fù)合納米限域體系高壓聚合相的形成和結(jié)構(gòu)演化歷程以及相應(yīng)的力學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)的研究工作。完成高壓下含有芳香環(huán)的有機(jī)晶體多晶型的結(jié)構(gòu)相變研究。4、完成高壓下典型

44、化合物半導(dǎo)體特殊光、電、磁、熱效應(yīng)的研究；氧化物、III-V族化合物半導(dǎo)體高壓下電輸運(yùn)性質(zhì)變化的一般性規(guī)律，各物理量之間的關(guān)聯(lián)行為和制約機(jī)制的研究；探索高壓下化合物半導(dǎo)體各種效應(yīng)隨壓力變化的規(guī)律，新規(guī)律和新效應(yīng)的物理機(jī)制。5、完成新型高壓相多功能化合物的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)合成工作，以及納米晶塊材的高壓燒結(jié)研究。結(jié)合前幾年的研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)五年預(yù)期目標(biāo)：1、揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化。2、獲得不同壓力-溫度-組分空間中，新型含3d、4d、5d關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源。3、

45、總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律；揭示高壓下準(zhǔn)一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律。4、揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律。5、在新型多功能材料的超高壓合成方面，由唯象研究上升到注重內(nèi)在物理本質(zhì)的探索，獲取截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。合成出3d、4d、5d族3種以上Mott有序化和Stoner型磁電新材料、3-5種有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料。6、發(fā)表SCI論文6070篇。7、完成項(xiàng)目結(jié)題工作。注：項(xiàng)目執(zhí)行過程中還要撰

46、寫13部專著，申報(bào)高水平的獎(jiǎng)勵(lì)35項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利15-25項(xiàng)。同時(shí)培養(yǎng)高壓領(lǐng)域的拔尖人才以及學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)博士研究生50名、碩士研究生200名。一、研究?jī)?nèi)容超高壓作為一個(gè)極端條件會(huì)引發(fā)眾多常壓下難以觀察到的新奇物理現(xiàn)象，為制備新材料、探索新現(xiàn)象和發(fā)展新理論提供了得天獨(dú)厚的機(jī)會(huì)，因此高壓領(lǐng)域的研究取得了許多令人矚目的成果，超高壓與激光、核磁共振、同步輻射和質(zhì)譜一起，被列為導(dǎo)致重要科學(xué)與技術(shù)新發(fā)現(xiàn)的最為關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)于豐富和發(fā)展物質(zhì)科學(xué)具有特殊的優(yōu)勢(shì)；高壓下物質(zhì)呈現(xiàn)眾多的新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)，是發(fā)現(xiàn)和截獲具有新穎性質(zhì)的新型材料的重要源泉。本項(xiàng)目將研究具有重大科學(xué)意義的超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新奇結(jié)構(gòu)

47、與奇異性質(zhì)，擬解決兩個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題：（1）超高壓下典型凝聚態(tài)物質(zhì)新的原子空間分布和新的電子狀態(tài)以及微觀相互作用規(guī)律；（2）物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的高壓調(diào)制、演化過程以及特殊高壓相的截獲。注重發(fā)現(xiàn)常規(guī)條件下不能發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象、新效應(yīng)，提出新概念，發(fā)展新理論；為制備出常規(guī)條件下無(wú)法制備的新物質(zhì)和新材料提供科學(xué)依據(jù)。我們將集參研單位的多年積累、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的實(shí)驗(yàn)條件，充分發(fā)揮物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，緊緊圍繞重大科學(xué)前沿問題，瞄準(zhǔn)國(guó)家的重大需求，在這些關(guān)鍵科學(xué)問題的解決上取得突破。主要研究?jī)?nèi)容緊緊圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、從小尺寸到體材料，選擇具有代表性、倍受關(guān)注的物質(zhì)體系作為研

48、究對(duì)象，研究具有重大科學(xué)意義的超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新奇結(jié)構(gòu)與奇異性質(zhì)，主要研究?jī)?nèi)容包括：1）超高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能，2）超高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為， 3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化，4）超高壓下的化合物半導(dǎo)體的電輸運(yùn)與新效應(yīng)，5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的微結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控。具體的研究工作如下：1）超高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能上個(gè)世紀(jì)三十年代，科學(xué)家就利用現(xiàn)代量子力學(xué)理論，預(yù)言高壓會(huì)導(dǎo)致固態(tài)氫由絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體。在超高外界壓力的作用下，構(gòu)成氫分子的共價(jià)鍵斷裂，氫原子核外的電子為所有原子核共用，形成金屬鍵和空間擴(kuò)展的高能態(tài)金屬晶體，即金屬氫。根據(jù)計(jì)算，金屬氫的密度可以

49、達(dá)到1.3 g/cm3，是高能量密度、綠色清潔能源材料，而極高的德拜溫度又使得金屬氫成為室溫超導(dǎo)體的第一候選材料。但是由于氫分子內(nèi)部的共價(jià)鍵太強(qiáng)，而且其零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)很大，目前實(shí)驗(yàn)上還沒有獲得金屬氫，成為上個(gè)世紀(jì)沒能解決的十大物理問題之一。在前期973項(xiàng)目的支持下，我們針對(duì)鍵合較弱的其它雙原子分子和多原子分子固體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作，并取得了突破性進(jìn)展。例如，高壓使得與氫非常類似的雙原子分子固體碘等實(shí)現(xiàn)了金屬化，并產(chǎn)生了原子金屬相。揭示了固態(tài)碘在高壓的作用下，由雙原子分子晶體轉(zhuǎn)變成原子晶體從而實(shí)現(xiàn)金屬化的整個(gè)過程，發(fā)現(xiàn)在高壓下碘首先變成具有兩種不同鍵長(zhǎng)共存的分子晶體，再變成既具有分子相又具有原子相特

50、征的非公度結(jié)構(gòu)，然后才變成原子晶體，弄清了碘的壓致分子解離到原子晶體形成的微觀機(jī)制，研究結(jié)果發(fā)表在PNAS 105，4999(2008)，Phys Rev B76，104113(2007)等雜志上，為金屬氫的研究提供了重要的物理圖像。為本研究奠定了重要的基礎(chǔ)。首先選擇單核共價(jià)氫化物（如AlH3、NH3、CH4、SiH4）以及雙核及多核的氫化物（如N2H4、B2H6、H2O2、C2H6、Si2H6等）為研究對(duì)象，由于這些體系的主導(dǎo)元素是氫，所以金屬化之后這些體系會(huì)呈現(xiàn)許多純金屬氫中的特殊性質(zhì)。而這些富氫體系中存在其它元素，會(huì)對(duì)氫的子體系產(chǎn)生預(yù)壓作用，所以富氫體系金屬化所需的壓力會(huì)大大低于純氫體系

51、，比純氫體系更容易金屬化，我們的前期理論研究結(jié)果(Phys. Rev. Lett. 101, 107002( 2008)，PNAS 107，1317(2010)證實(shí)了這樣的推斷。利用原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的靜高壓實(shí)驗(yàn)、沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)和第一原理密度泛函等理論，探索這些富氫體系結(jié)構(gòu)隨外界壓力的變化，以及金屬化出現(xiàn)的條件和體系性質(zhì)的變化，揭示氫的子體系的微觀狀態(tài)隨壓力的變化可能帶來的新奇宏觀性質(zhì)，如高溫超導(dǎo)特性等，為金屬氫的研究提供新的物理圖象和指導(dǎo)。同時(shí)選擇純氫（H2）最為研究對(duì)象，研究壓力對(duì)純氫體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響，特別研究壓力以及其它外界條件（高溫、激光等）對(duì)氫分子內(nèi)部氫原

52、子間鍵合的綜合影響，探索產(chǎn)生金屬氫的新途徑，從而實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。力爭(zhēng)在金屬氫這個(gè)未解的重大物理問題上有突破。同時(shí)本課題還對(duì)深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的電子狀態(tài)、原子價(jià)態(tài)、原子間鍵合以及力學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律有重要的意義，為創(chuàng)造新型能源材料，以及對(duì)新材料合成中的基本問題的理解提供理論支持。2）超高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為以過渡族金屬化合物為代表的新型凝聚態(tài)體系，由于存在化學(xué)鍵的多樣性、d電子的自旋軌道和晶格的交互作用及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，擁有豐富的物理現(xiàn)象。關(guān)聯(lián)體系化合物所含有的高溫超導(dǎo)、絕緣體金屬相變、磁性和電性耦合等成為當(dāng)今凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域，正在揭示出凝聚態(tài)物理新圖像，有豐

53、富的物質(zhì)科學(xué)問題需要研究。關(guān)聯(lián)體系物質(zhì)有兩大類，其一為以3d Mott化合物為代表的局域型反鐵磁絕緣體的基態(tài)構(gòu)型，在絕緣體金屬化相變過程中產(chǎn)生了諸如以銅氧化物高溫超導(dǎo)為代表的新奇物理現(xiàn)象。其二為4d和5d族類Stoner化合物為代表的擴(kuò)展型體系，體系的自旋軌道耦合漸強(qiáng)，可以呈現(xiàn)量子臨界相變、亞磁性、稀磁金屬等奇異的物理特性。系統(tǒng)研究這兩類關(guān)聯(lián)體系豐富的物理特性及其結(jié)構(gòu)起源，探尋晶體場(chǎng)交換作用自旋軌道耦合隨價(jià)電子構(gòu)型的演化規(guī)律，對(duì)深入認(rèn)識(shí)涵蓋3d、4d和5d的主要關(guān)聯(lián)體系的基本物理圖像非常重要。高壓對(duì)關(guān)聯(lián)體系的研究發(fā)揮著重要的作用。高壓提供的獨(dú)特的熱力學(xué)條件為研究相關(guān)結(jié)構(gòu)及其物理問題提供了新一維

54、空間，如高壓可以驅(qū)動(dòng)絕緣體與金屬間的相變，許多由溫度和組分調(diào)控的物理性質(zhì)具有非常明顯的壓力效應(yīng)；類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是許多過渡金屬化合物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而高壓易于合成具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的致密物質(zhì)；化學(xué)變價(jià)是過渡金屬化合物的主要特征，而壓力則可在相當(dāng)程度上影響原子外殼層價(jià)電子分布和轉(zhuǎn)移。在高壓下不僅合成了一系列新型鈣鈦礦化合物，原位加壓更獲得了164K的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度的最高記錄。這些通常多依賴于溫度和化學(xué)組分的物理現(xiàn)象若加以顯著的壓力因素，將產(chǎn)生全然不同的臨界關(guān)系，其中有豐富的量子力學(xué)問題需要研究。高壓通過對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)能帶和物性的作用，所以要深入認(rèn)識(shí)超高壓關(guān)聯(lián)體系的微觀相互作用，就必須了解壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的

55、精細(xì)作用。我們將從高壓高溫合成新體系出發(fā)，研究新型關(guān)聯(lián)體系化合物的物性和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，深入認(rèn)識(shí)高壓下關(guān)聯(lián)體系中圍繞d電子的價(jià)電子的行為以及微觀相互作用規(guī)律；在原子尺度上揭示異類原子間的反應(yīng)機(jī)制、電子和原子轉(zhuǎn)移規(guī)律以及化合作用，探討高壓新一維度中涵蓋3d、4d和5d的關(guān)聯(lián)體系化合物的磁性、電性、介電及共存和轉(zhuǎn)化等一系列現(xiàn)象的物理機(jī)制，揭示這些物理現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)起源。3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化高壓下分子體系的研究對(duì)金屬氫的探索有重要的指導(dǎo)意義，該領(lǐng)域還有諸多關(guān)鍵的基本科學(xué)問題沒有解決，例如，有些新奇的高壓相結(jié)構(gòu)在卸壓后卻是可逆的，無(wú)法在常壓下獲得；有些體系的實(shí)驗(yàn)研究已接近目前靜高壓的極限，但是還沒

56、有金屬化的出現(xiàn)，比如金屬氮、原子相的金屬氧等。因此，尋找穩(wěn)定高壓相的新方法，探索降低金屬化轉(zhuǎn)變壓力的新途徑，研究高壓相變的物理機(jī)制，已成為目前這一體系最為引人關(guān)注的重要課題之一。因此本研究?jī)?nèi)容將與第一個(gè)研究?jī)?nèi)容緊密結(jié)合，利用空間限域和高壓的雙重作用，對(duì)分子體系的結(jié)構(gòu)與物理行為進(jìn)行深入的研究。目前，人們針對(duì)一些限域分子體系在常壓下的結(jié)構(gòu)開展了大量研究。但是，這方面的超高壓研究在國(guó)際上不多，早期人們開展了碳納米管束中碘和溴的高壓原位拉曼光譜實(shí)驗(yàn)，其中溴還是我們項(xiàng)目組早期的工作。最近，隨著納米合成技術(shù)的不斷完善，已經(jīng)在高壓下發(fā)現(xiàn)了令人激動(dòng)的新現(xiàn)象和新結(jié)構(gòu)。例如：我們項(xiàng)目組在前期973計(jì)劃研究中，不僅

57、發(fā)現(xiàn)了C60填充到碳管內(nèi)部之后處于非自由的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，還在高壓下實(shí)現(xiàn)了碳管內(nèi)部的壓致共價(jià)鍵合，獲得了二聚、一維鏈共價(jià)聚合新結(jié)構(gòu)，揭示了壓力作用下C60鍵合過程，呈現(xiàn)出全然不同與體材料的變化。(PNAS106, 22135(2009); PRB76, 195417(2007)。考慮到納米限域體系存在主客體相互作用，即分子間弱作用力與分子內(nèi)強(qiáng)相互作用在高壓下存在競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)同關(guān)系，與之相關(guān)的超分子體系的高壓研究也是國(guó)際前沿課題。在前期973計(jì)劃的支持下，我們?cè)陧樌瓿沙邏合聹?zhǔn)一維納米體系的研究任務(wù)基礎(chǔ)上，又拓展到超分子的高壓研究，發(fā)現(xiàn)了高壓下長(zhǎng)程有序和密堆積的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致氫鍵的重排，將三聚氰胺/三聚氰酸超

58、分子晶體的高壓相“截獲”到常壓(JPC B, 2009, 113, 14719)；還發(fā)現(xiàn)高壓下長(zhǎng)程有序和密堆積的競(jìng)爭(zhēng)，使三聚氰胺-硼酸加合物發(fā)生了可逆非晶化相變(Langmuir, 2009, 25, 4787)；這些最新結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)納米限域體系中相互作用在高壓下的變化至為重要。鑒于目前我們能夠可控生長(zhǎng)高品質(zhì)的納米材料，在研究中將針對(duì)雙原子分子、含氫分子等不同的分子體系，在不同的壓力區(qū)間選用碳/氮化硼納米管、單晶分子篩等多種納米材料作為限域體系?？紤]到納米限域體系存在主客體相互作用，即分子間弱作用力與分子內(nèi)強(qiáng)相互作用之間存在競(jìng)爭(zhēng)或協(xié)同關(guān)系，還將開展高壓下基于分子間其它弱的相互作用超分子體系的高壓行為研究，加深對(duì)限域體系的認(rèn)識(shí)。重點(diǎn)進(jìn)行限域于碳/BN納米管、分子篩道等納米體系內(nèi)I2、N2等典型雙原子分子體系、H2O等含氫分子體系的高壓原位結(jié)構(gòu)變化研究，研究準(zhǔn)一維限域條件下的分子體系在低壓區(qū)分子相間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，探索其相變的物理機(jī)制；尋找研究這些體系在準(zhǔn)一維限域下發(fā)生金屬化的條件，探索其金