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1、第一章 绪论,超硬材料国家重点实验室,高压物理,主要内容,高压科学的重要意义 高压科学与技术的发展,1.1 高压科学的重要意义,高压科学的定义：研究物质（尤其是凝聚态物质）在高压及超高压条件下的结构、状态、性质及其变化规律的科学。由于高压的产生及高压下各种结构、状态及性质的检测需要发展相应特殊的、精巧的、专门的实验技术和方法，因此，它被规划为一门学科，称为高压科学与技术。,（1）高压：12（15）kbar 5 GPa （2）不同领域对“高压”的含义理解传统生物学：100-102 bar 深海火山口细菌： 102-103 bar 分子生物学： 102-103 bar 化学 材料科学 物理学： 1
2、00-102 GPa,（3）高压物理学：研究凝聚态物质在高压这一极端条件下的力、热、光、电等物理性质及状态的变化规律的学科。 （4）高压下，物理学与化学在很大程度上是密不可分的，物质的电子状态，能带结构的改变必然引起其化学性质的变化，而物质的高压相变本身就是复杂的物理-化学过程。 （5）压力的单位 Pa (帕斯卡)是国际压力单位 (1N/m2 ) 1MPa106 Pa，1 GPa109 Pa bar (巴)是常用压力单位 (=106dyn/cm2) atm (大气压)称为标准大气压=1.013105 Pa 1bar105Pa0.9869atm 1bar1atm 10kbar=1GPa,压力压缩
3、原子间距 改变电子结构原子重组 电子激发 能级调谐 自旋重排 电子相变 结构相变高压新相 新数据 新现象 新结构 新性质 新规律 新材料 新理论,2. 压力的效应是指在压力的作用下，物质的结构和性质发生改变的现象。在压力的作用下，物质的状态、晶格结构和电子结构发生变化，有些还会以新的高压相存在着，这些高压相可能具有新的优异性能。,例1. 压力P是与温度T同样重要的热力学参数,压力与温度、组分是任何体系的三个独立物理参量，压力的作用是任何其它手段无法代替的 压力可改变物质内部的各种相互作用，改变物质的结构和性质 出现高密度态和新的高压相，在百万巴下每种物质平均出现5个相变 在高压下以新的基态存在
4、，出现了异于周期表的新价态，产生奇异的化学反应 对于验证理论模型和发展新理论提供有效的手段,以半导体Si为例： （1）P=0 GPa至P=10GPa，V/V=-5%;T=0 K至Tm=1410oC，V/V=1.8%。,Si原子配位数变化：4(I)6(II)8(V)?(VI)12(VII, VIII),例2. 高温高压（HPHT）技术是合成新材料的有效手段，表明高压科学研究成果具有重大的实际应用价值和技术价值。,石墨,C-BN,（1）有些物质，在高温高压下通过相变形成的新结构能以亚稳态长期保存在常温常压（RTP）下，利用这一点可以获得新的人工合成材料；,（2）在化学反应过程中，压力能够有效的调制
5、反应物与生成物的Gibbs自由能，从而改变化学反应的方向，获得所期望的产物；,MeN,C3N4、BCN,高温高压,金刚石,h-BN,例3. 在高压作用下，物质会发生结构形态的改变；原为液态的物质会凝固结晶；原为晶态的物质可能发生晶体结构或电子结构的变化，在很高压力下，半导体、绝缘体甚至一些分子固体都可能进入金属态。金属氢的研究是这个方面一个典型的例子,I、对金属氢的研究热潮起源于对其超导特性的预言； (1) 超导转变温度的同位素效应的启示Tc1/M1/2 (2) 1968年，Cornell大学的Aschcroft教授的理论研究指出，金属氢可能是一种室温超导体。 (3) 这一点也可以以电-声子耦
6、合机制推断：声子的重量（晶格粒子的有效质量）越轻，越容易与电子发生相互作用及能量交换，即耦合增强，从而提高超导转变温度。,II、金属氢：固态氢金属化的可能机制 (1) 能带重叠机制,H2,晶体,分子,受压,1s *,1s,满带,空带,(2) 由分子晶体转变为原子晶体（类似于Peierls相变）,分子晶体,原子晶体,以一维体系为例,H2分子在高压下的原子化,D,两个H2分子在靠近的过程中， 当Dd，电子a1,a2受A1，A2质子的作用，形成分子； 随着D逐渐减小，电子a1,a2受B1，B2质子的作用组建增强； 当Dd时，四个电子都受到四个质子的强烈作用，形成原子晶体，类似金属的状态。,对金属氢的
7、研究主要围绕以下几个问题： 金属化机制 在金属化过程中一系列特定点的确定 结构 超导电性 磁性 稳定性与可利用性 含H金属化合物的对应研究LiH、MgH2、Ni2H .,3. 本学科的特点及内容 特点： 边缘学科，与材料科学、地学、天体物理学、化学、生物等相结合。造成缺点：目前为止还没有一套规范、统一、完备的教材。 2. 与技术的结合非常密切：与高能物理、同步辐射技术 3. 理论与实验结合，思考与操作相结合，强调动手能力 内容： 高压实验技术：包括高压的产生与测定，高压下各种物化性质的仪器分析。 凝聚态物质的状态方程（EOS）：是指在一定的客观条件下物质的能量或体积与其所处温度、压力的关系。它
8、表征了物质的基本热力学性质，反映了组成物质的分子或原子相互作用的信息，是高压物理物理关心的基本问题之一。 高压相变：其变化机制和微观过程是高压物理学研究的极为丰富的探索领域,总之，利用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等测试手段，研究物质的
9、力、热、电等性质在高压下的变化及其规律。,1.2 高压科学与技术的发展,动高压 静高压,1. 典型的高温高压装置及其温度范围,2. 高压技术发展的历史回顾,1946年，Bridgman获诺贝尔物理奖对高压物理的突出贡献。 1959年，金刚石对顶砧（DAC）时代。 1965年，Van Valkenburg在DAC中引入了钻孔的金属片 1972年，Forman，Piermarini， Barnett，Block测试了高压下红宝石荧光。 1973年， Piermarini，Barnett，Block将传压介质引入DAC压腔。 1977年，Bruas首次将DAC与同步辐射XRD结合起来。 1978年，
10、Mao和Bell设计了Mao-Bell型DAC，引入了倒角，将压力提高到170GPa，将红宝石表压扩展到100GPa以上。,Bridgman对高压物理的贡献,P.W. Bridgman (美国哈佛大学教授，1882-1961)因为在高压物理领域的开拓性贡献获得1946年诺贝尔物理奖。,发明和发展了高压设备与技术，获得10GPa。 提出了“大质量支撑”原理和“多级加压”原理 测量了一系列元素和化合物材料的高压物性（压缩率、电导率、热导率、状态方程、粘性、抗张强度）,超高压物理研究的历史,1941年，Bridgman开始高压金刚石的合成实验 。 Coes首次合成出了科石英(Coesite)及其它硅
11、酸盐矿物。柯石英是SiO2的高密度相，即高压相。 1955年，美国通用电气公司的Bundy, Hall, Strong, Wentof等人，及瑞典ASEA公司的研究人员首次合成出人造金刚石。Wentof合成了硬度仅次于金刚石的超硬材料立方氮化硼(BN)。 哈佛大学于1933年启动地球物理科学方面的一项研究计划，1952年Birch发表了“地球内部的弹性和组成”的论文。 美国Carnegie地球物理实验室创立于1907年，设计了最初的高压釜，奠定了水热合成法的基础，研究了高温高压下的相平衡、花岗岩的形成机理。,超高压物理研究的历史,美国芝加哥大学的Lawson和汤定元设计了最早的一台金刚石压腔装
12、置，称为金刚石釜(Diamond Bomb)，腔体压力达到3GPa，可以进行X射线研究。 美国国家标准局NBS（现美国国家标准技术研究所NIST的前身）对高压物理学的发展产生了两大重要贡献： 对金刚石压腔的设计进行了重大改进，1958年Weir, Valkenberg, Lippincott, Bunting共同设计了现代金刚石对顶砧压机(Diamond Anvil Cell-DAC)的原型，用该高压光学装置首次观测了偏光显微镜下的结晶形态、进行了红外光谱测量。 Block等人发现了红宝石荧光R线随压力而发生线性位移的现象，可利用该现象标定相当高的压力。,压力的历史发展,Mao, Bell:
13、172GPa (1978) Bell, Mao: 185GPa (1979) Bell, Xu et.al.: 280GPa (1986) Xu, Mao et.al.: 550GPa (1986) Narayana et.al. 342GPa Nature(1998), 固体地球科学 地球深部的物质组成和存在形式 地壳、地幔、地核的相互作用和演化 行星的物质结构 凝聚态物理、化学和材料科学 极端条件(P,T,H)下的物性：相变，超导，超临界 新材料的合成：超硬 工业应用 生命科学与生物技术 生命的起源 蛋白质折叠和变性,高压物理研究的应用领域, 1965年，Arizona，“高压下的固体物理
14、”第一届国际会议 高压科学技术发展国际组织 AIRAPTInternational Association for the Advancement of High Pressure Science and TechnologyAIRAPT国际会议：每2年举行一次1985年后的会议上颁发Bridgman高压科学杰出贡献奖 1963年，英国标准电信实验室 欧洲高压研究团组 EHPRG European High Pressure Research Group 2002年，北京，第一届亚洲高压研究国际会议,国际高压物理学研究历史发展, 高压下的分子固体 利用同步辐射的高压和高温研究 利用X光和中子源
15、的高压谱学研究 固体的谱学 强关联电子体系中的物理性质 由强激光、脉冲辐射产生的冲击波和压力现象 高压科学中的计算物理 合成金刚石和其它超硬材料 高压下新材料的合成和性质 地球物质在压力下的物理性质 水和冰的物理与化学 化学反应和动力学 高压下流体的超临界性质 高压生命科学和生物技术 高压标定和技术,AIRAPT-18 (2001,北京) 国际高压科学与技术会议, 新材料 金属体系 超硬和金刚石体系材料 超导体 输运和磁性 高压矿物结晶学和超高压 冰、液体和熔液 化学反应和动力学 相和相变的理论与实验研究 生命科学、生物技术和软凝聚态物质 动力学和冲击波现象 仪器和技术,EPHRG2002 “
16、High Pressure Research Across the Sciences ”,美国 (金刚石对顶砧) 1991年成立高压科学研究中心(CHiPR): Carnegie地球物理实验室 (毛和光, Hemley)、Lawrence Livermore国家实验室、纽约州立大学石溪分校、Princeton大学、Nevada大学 同步辐射(NSLS, Brookhaven国家实验室；SSRL, Stanford同步辐射实验室CHESS, Cornell 高能同步辐射光源) 日本 (大腔体多顶砧) 物质科学研究所、同步辐射实验室(Spring-8、筑波光子工厂)大阪大学、东京大学等各大学 欧洲 俄罗斯、波兰等也很早就成立了高压研究中心 波兰举办过几次国际高压科学讲座 法国和比利时：生命科学研究,
