高壓物理-緒論課件

1、第一章 緒論超硬材料國家重點實驗室高壓物理第1頁，共28頁。主要內(nèi)容高壓科學的重要意義高壓科學與技術(shù)的發(fā)展第2頁，共28頁。1.1 高壓科學的重要意義高壓科學的定義： 研究物質(zhì)（尤其是凝聚態(tài)物質(zhì)）在高壓及超高壓條件下的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學。 由于高壓的產(chǎn)生及高壓下各種結(jié)構(gòu)、狀態(tài)及性質(zhì)的檢測需要發(fā)展相應特殊的、精巧的、專門的實驗技術(shù)和方法，因此，它被規(guī)劃為一門學科，稱為高壓科學與技術(shù)。第3頁，共28頁。（1）高壓：12（15）kbar P 5 GPa（2）不同領(lǐng)域?qū)Α案邏骸钡暮x理解 傳統(tǒng)生物學：100-102 bar 深?；鹕娇诩毦?102-103 bar 分子生物學： 102

2、-103 bar 化學材料科學 物理學： 100-102 GPa102-103 bar （水熱溶劑熱）第4頁，共28頁。（3）高壓物理學： 研究凝聚態(tài)物質(zhì)在高壓這一極端條件下的力、熱、光、電等物理性質(zhì)及狀態(tài)的變化規(guī)律的學科。（4）高壓下，物理學與化學在很大程度上是密不可分的，物質(zhì)的電子狀態(tài)，能帶結(jié)構(gòu)的改變必然引起其化學性質(zhì)的變化，而物質(zhì)的高壓相變本身就是復雜的物理-化學過程。（5）壓力的單位Pa (帕斯卡)是國際壓力單位 (1N/m2 )1MPa106 Pa，1 GPa109 Pa bar (巴)是常用壓力單位 (=106dyn/cm2)atm (大氣壓)稱為標準大氣壓=1.013105 Pa

3、1bar105Pa0.9869atm 1bar1atm 10kbar=1GPa第5頁，共28頁。 壓力 壓縮原子間距 改變電子結(jié)構(gòu) 原子重組 電子激發(fā) 能級調(diào)諧 自旋重排 電子相變 結(jié)構(gòu)相變 高壓新相 新數(shù)據(jù) 新現(xiàn)象 新結(jié)構(gòu) 新性質(zhì) 新規(guī)律 新材料 新理論2. 壓力的效應 是指在壓力的作用下，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)生改變的現(xiàn)象。 在壓力的作用下，物質(zhì)的狀態(tài)、晶格結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有些還會以新的高壓相存在著，這些高壓相可能具有新的優(yōu)異性能。第6頁，共28頁。例1. 壓力P是與溫度T同樣重要的熱力學參數(shù)壓力與溫度、組分是任何體系的三個獨立物理參量，壓力的作用是任何其它手段無法代替的壓力可改變物質(zhì)

4、內(nèi)部的各種相互作用，改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)出現(xiàn)高密度態(tài)和新的高壓相，在百萬巴下每種物質(zhì)平均出現(xiàn)5個相變在高壓下以新的基態(tài)存在，出現(xiàn)了異于周期表的新價態(tài)，產(chǎn)生奇異的化學反應對于驗證理論模型和發(fā)展新理論提供有效的手段物質(zhì)科學PTX第7頁，共28頁。以半導體Si為例：（1）P=0 GPa至P=10GPa，V/V=-5%; T=0 K至Tm=1410oC，V/V=1.8%。Si原子配位數(shù)變化：4(I)6(II)8(V)?(VI)12(VII, VIII)第8頁，共28頁。例2. 高溫高壓（HPHT）技術(shù)是合成新材料的有效手段，表明高壓科學研究成果具有重大的實際應用價值和技術(shù)價值。石墨C-BN（1）有些物

5、質(zhì)，在高溫高壓下通過相變形成的新結(jié)構(gòu)能以亞穩(wěn)態(tài)長期保存在常溫常壓（RTP）下，利用這一點可以獲得新的人工合成材料；（2）在化學反應過程中，壓力能夠有效的調(diào)制反應物與生成物的Gibbs自由能，從而改變化學反應的方向，獲得所期望的產(chǎn)物；MeNC3N4、BCNMe+1/2 N2MeN高溫高壓金剛石h-BN第9頁，共28頁。例3. 在高壓作用下，物質(zhì)會發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變；原為液態(tài)的物質(zhì)會凝固結(jié)晶；原為晶態(tài)的物質(zhì)可能發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)的變化，在很高壓力下，半導體、絕緣體甚至一些分子固體都可能進入金屬態(tài)。 金屬氫的研究是這個方面一個典型的例子I、對金屬氫的研究熱潮起源于對其超導特性的預言；(1) 超導

6、轉(zhuǎn)變溫度的同位素效應的啟示 Tc1/M1/2(2) 1968年，Cornell大學的Aschcroft教授的理論研究指出，金屬氫可能是一種室溫超導體。(3) 這一點也可以以電-聲子耦合機制推斷：聲子的重量（晶格粒子的有效質(zhì)量）越輕，越容易與電子發(fā)生相互作用及能量交換，即耦合增強，從而提高超導轉(zhuǎn)變溫度。第10頁，共28頁。II、金屬氫：固態(tài)氫金屬化的可能機制(1) 能帶重疊機制 H2晶體分子受壓1s *1s 1s * 1s 1s1s 1s *1s 滿帶空帶第11頁，共28頁。(2) 由分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)樵泳w（類似于Peierls相變）a(a)(b)(b)0/a2/a-/a-2/aE(a)0/a2

7、/a-/a-2/aEEg分子晶體原子晶體以一維體系為例第12頁，共28頁。H2分子在高壓下的原子化.+.+-dA1A2a1a2D.+.+-dB1B2b1b2兩個H2分子在靠近的過程中，當Dd，電子a1,a2受A1，A2質(zhì)子的作用，形成分子；隨著D逐漸減小，電子a1,a2受B1，B2質(zhì)子的作用組建增強；當Dd時，四個電子都受到四個質(zhì)子的強烈作用，形成原子晶體，類似金屬的狀態(tài)。第13頁，共28頁。對金屬氫的研究主要圍繞以下幾個問題：金屬化機制在金屬化過程中一系列特定點的確定結(jié)構(gòu)超導電性磁性穩(wěn)定性與可利用性含H金屬化合物的對應研究LiH、MgH2、Ni2H .第14頁，共28頁。3. 本學科的特點及

8、內(nèi)容特點：邊緣學科，與材料科學、地學、天體物理學、化學、生物等相結(jié)合。 造成缺點：目前為止還沒有一套規(guī)范、統(tǒng)一、完備的教材。2. 與技術(shù)的結(jié)合非常密切：與高能物理、同步輻射技術(shù)3. 理論與實驗結(jié)合，思考與操作相結(jié)合，強調(diào)動手能力內(nèi)容：高壓實驗技術(shù)：包括高壓的產(chǎn)生與測定，高壓下各種物化性質(zhì)的儀器分析。凝聚態(tài)物質(zhì)的狀態(tài)方程（EOS）：是指在一定的客觀條件下物質(zhì)的能量或體積與其所處溫度、壓力的關(guān)系。它表征了物質(zhì)的基本熱力學性質(zhì)，反映了組成物質(zhì)的分子或原子相互作用的信息，是高壓物理物理關(guān)心的基本問題之一。高壓相變：其變化機制和微觀過程是高壓物理學研究的極為豐富的探索領(lǐng)域第15頁，共28頁。 總之，利用

9、X-ray diffraction（XRD）、neutron diffration、nuclear magnetic resonance (NMR)、Mossbauer spectra、Raman scattering、Brillouin scattering、Infrared spectra (IR)、fluorescence spectra以及ultrasonic measurement等測試手段，研究物質(zhì)的力、熱、電等性質(zhì)在高壓下的變化及其規(guī)律。第16頁，共28頁。1.2 高壓科學與技術(shù)的發(fā)展動高壓靜高壓1. 典型的高溫高壓裝置及其溫度范圍ApparatusP（GPa）T（K）Gas a

10、pparatus 氣壓裝置 231800Piston-Cylinder 活塞-圓筒裝置 52300Bridgman anvil unsupported supported 5 202300Belt or Girdle apparatus 202300多砧系統(tǒng)4000Shock wave 沖擊波不低于80800不低于5000第17頁，共28頁。2. 高壓技術(shù)發(fā)展的歷史回顧1946年，Bridgman獲諾貝爾物理獎對高壓物理的突出貢獻。1959年，金剛石對頂砧（DAC）時代。1965年，Van Valkenburg在DAC中引入了鉆孔的金屬片1972年，F(xiàn)orman，Piermarini， Bar

11、nett，Block測試了高壓下紅寶石熒光。1973年， Piermarini，Barnett，Block將傳壓介質(zhì)引入DAC壓腔。1977年，Bruas首次將DAC與同步輻射XRD結(jié)合起來。1978年，Mao和Bell設(shè)計了Mao-Bell型DAC，引入了倒角，將壓力提高到170GPa，將紅寶石表壓擴展到100GPa以上。第18頁，共28頁。Bridgman對高壓物理的貢獻P.W. Bridgman (美國哈佛大學教授，1882-1961)因為在高壓物理領(lǐng)域的開拓性貢獻獲得1946年諾貝爾物理獎。發(fā)明和發(fā)展了高壓設(shè)備與技術(shù)，獲得10GPa。提出了“大質(zhì)量支撐”原理和“多級加壓”原理 測量了一

12、系列元素和化合物材料的高壓物性（壓縮率、電導率、熱導率、狀態(tài)方程、粘性、抗張強度）第19頁，共28頁。超高壓物理研究的歷史1941年，Bridgman開始高壓金剛石的合成實驗 。Coes首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅酸鹽礦物。柯石英是SiO2的高密度相，即高壓相。1955年，美國通用電氣公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人，及瑞典ASEA公司的研究人員首次合成出人造金剛石。Wentof合成了硬度僅次于金剛石的超硬材料立方氮化硼(BN)。哈佛大學于1933年啟動地球物理科學方面的一項研究計劃，1952年Birch發(fā)表了“地球內(nèi)部的彈性和組成”的論文。美國

13、Carnegie地球物理實驗室創(chuàng)立于1907年，設(shè)計了最初的高壓釜，奠定了水熱合成法的基礎(chǔ)，研究了高溫高壓下的相平衡、花崗巖的形成機理。第20頁，共28頁。超高壓物理研究的歷史美國芝加哥大學的Lawson和湯定元設(shè)計了最早的一臺金剛石壓腔裝置，稱為金剛石釜(Diamond Bomb)，腔體壓力達到3GPa，可以進行X射線研究。美國國家標準局NBS（現(xiàn)美國國家標準技術(shù)研究所NIST的前身）對高壓物理學的發(fā)展產(chǎn)生了兩大重要貢獻：對金剛石壓腔的設(shè)計進行了重大改進，1958年Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同設(shè)計了現(xiàn)代金剛石對頂砧壓機(Diamond Anv

14、il Cell-DAC)的原型，用該高壓光學裝置首次觀測了偏光顯微鏡下的結(jié)晶形態(tài)、進行了紅外光譜測量。Block等人發(fā)現(xiàn)了紅寶石熒光R線隨壓力而發(fā)生線性位移的現(xiàn)象，可利用該現(xiàn)象標定相當高的壓力。第21頁，共28頁。壓力的歷史發(fā)展Mao, Bell:172GPa (1978)Bell, Mao:185GPa (1979)Bell, Xu et.al.:280GPa (1986)Xu, Mao et.al.:550GPa (1986)Narayana et.al.342GPa Nature(1998)第22頁，共28頁。 固體地球科學 地球深部的物質(zhì)組成和存在形式 地殼、地幔、地核的相互作用和演化

15、 行星的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 凝聚態(tài)物理、化學和材料科學 極端條件(P,T,H)下的物性：相變，超導，超臨界 新材料的合成：超硬 工業(yè)應用 生命科學與生物技術(shù) 生命的起源 蛋白質(zhì)折疊和變性高壓物理研究的應用領(lǐng)域第23頁，共28頁。 1965年，Arizona，“高壓下的固體物理”第一屆國際會議 高壓科學技術(shù)發(fā)展國際組織 AIRAPT International Association for the Advancement of High Pressure Science and Technology AIRAPT國際會議：每2年舉行一次 1985年后的會議上頒發(fā)Bridgman高壓科學杰出貢獻獎 196

16、3年，英國標準電信實驗室 歐洲高壓研究團組 EHPRG European High Pressure Research Group 2002年，北京，第一屆亞洲高壓研究國際會議 國際高壓物理學研究歷史發(fā)展第24頁，共28頁。 高壓下的分子固體 利用同步輻射的高壓和高溫研究 利用X光和中子源的高壓譜學研究 固體的譜學 強關(guān)聯(lián)電子體系中的物理性質(zhì) 由強激光、脈沖輻射產(chǎn)生的沖擊波和壓力現(xiàn)象 高壓科學中的計算物理 合成金剛石和其它超硬材料 高壓下新材料的合成和性質(zhì) 地球物質(zhì)在壓力下的物理性質(zhì) 水和冰的物理與化學 化學反應和動力學 高壓下流體的超臨界性質(zhì) 高壓生命科學和生物技術(shù) 高壓標定和技術(shù)AIRAP

17、T-18 (2001,北京)國際高壓科學與技術(shù)會議第25頁，共28頁。 新材料 金屬體系 超硬和金剛石體系材料 超導體 輸運和磁性 高壓礦物結(jié)晶學和超高壓 冰、液體和熔液 化學反應和動力學 相和相變的理論與實驗研究 生命科學、生物技術(shù)和軟凝聚態(tài)物質(zhì) 動力學和沖擊波現(xiàn)象 儀器和技術(shù)EPHRG2002“High Pressure Research Across the Sciences ”第26頁，共28頁。美國 (金剛石對頂砧) 1991年成立高壓科學研究中心(CHiPR): Carnegie地球物理實驗室 (毛和光, Hemley)、Lawrence Livermore國家實驗室、紐約州立大學石溪分校、Princeton大學、Nevada大學 同步輻射 (NSLS, Brookhaven國家實驗室；SSRL, Stanford同步輻射實驗室 CHESS, Cornell 高能同步輻射光源)日本 (大腔體多頂砧) 物質(zhì)科學研究所、同步輻射實驗室(Spring-8、筑波光子工廠) 大阪大學、東京大學等各大學 歐洲 俄羅斯、波蘭等也很早就成立了高壓研究中心 波蘭舉辦過幾次國際高壓科學講座 法國和比利時：生命科學研究 國際高壓物理研究現(xiàn)狀第27頁，共28頁。張紹忠曾留學哈佛大學（1925-192