高压下NH4H2PO4的电输运性质研究

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NH4H2PO4(ADP)晶体作为一种性能优异的功能材料,不但因其较大的非线性光学转换系数和较宽的光学透明区域,被视为一种理想的非线性光学材料,而且NH4H2PO4作为一种典型的含氢反铁电材料,在电场作用下将发生“反铁电—铁电”相转变,并产生比压电现象更为强烈的应变,所以被视为一种潜在的“反铁电—铁电”相变能量转换器制备材料。基于其能源领域所表现出巨大的应用潜力,进行压力诱导作用对NH4H2PO4物性影响的前沿研究具有重要意义。压力是研究材料的通用工具,能够研究形成地球和其他行星内部深处的岩石和矿物,同时压力是一种热化学变量,可引起物质的物理和化学变化,通过增大压力迫使原子以更小的体积靠近以形成更致密,更紧密堆积的原子排列,从而改变了原子键的能量。因此,压力是研究原子相互作用和化学键的有力探针。本论文用(DAC)装置,对NH4H2PO4进行了高压原位结构和电学输运特点研究。具体研究结果如下:1、通过高压原位拉曼光谱测试方法,研究了反铁电材料NH4H2PO4晶体结构随压力增加的变化规律,研究结果表明:NH4H2PO4样品在5.2 GPa时出现了新的拉曼峰,并随压力的逐渐增大,拉曼峰整体发生蓝移。通过洛伦兹拟合分析,NH4H2PO4拉曼峰发生劈裂是由于压力影响O—H…O氢键,导致PO4基团发生变化,诱导NH4H2PO4晶格结构发生改变。2、通过高压原位交流阻抗谱测试方法,研究了反铁电材料NH4H2PO4电输运特性随压力变化的规律,研究结果表明:在整个测试压力范围内,NH4H2PO4一直保持着典型的离子导电特性。其主要的导电离子是H+离子。在3.2-5.4 GPa之间,总电阻随压力显著降低。压力在5.4-20 GPa区间,总电阻未发生变化,呈现出一定的稳定状态。经分析,NH4H2PO4电阻在5.4 GPa发生变化是由于结构相变引起的。3、基于Arrhenius公式,计算拟合得出NH4H2PO4激活能随压力的变化率,研究结果表明:压力对NH4H2PO4激活能产生了较大影响,在1.5-3.2 GPa内,NH4H2PO4激活能随压力变化率为正值,表明在该压力范围内降低了氢离子迁移率,电阻随压力增加而增大。当压力大于3.2 GPa后,激活能随压力变化率为负值,促进了H+传输,使H+在NH4+中传输变得容易。随着压力继续增加,激活能随压力变化率依旧为负值,表明压力提升了质子的迁移率,但激活能下降速度变慢。
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