高压下二维材料碲烯和硫化锗的实验研究

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二维材料因其独特的结构和性质受到广泛的关注,成为凝聚态物理及材料科学等领域的研究热点。二维材料种类丰富,囊括了从绝缘体到半导体以及金属甚至超导体,而各种二维材料又具备了不同的物理化学特性,呈现了巨大的应用潜力。其中,二维材料在超导领域的新奇现象和规律引发了研究的热度,目前的研究表明维度的变化对超导电性的影响是深刻且巨大的,因此,对二维材料的超导性能进行研究不仅有助于发现新的高温超导体,还加深对超导机理的挖掘和认识。高压作为一种极端条件,是发现新材料和新性质的重要手段。压力对材料的作用主要表现为通过调控物质内的相互作用,进而改变材料的晶体结构或电子结构。例如,高压条件下磷烯可以从半导体转变为金属相并在5.5 GPa出现超导电性。因此在高压下研究二维材料的晶体结构和超导电性具有重要的科学意义。本论文拟选取两种典型的二维材料碲烯和硫化锗(Ge S)进行系统的结构和性质的高压研究。碲烯是一种具有良好稳定性和优秀光电性质的新兴单质二维材料,目前尚没有相关的高压工作。Ge S是典型的层状化合物半导体,结构类似于黑磷。在光学电学等方面有较强的各向异性,是高效太阳能电池以及光电探测器的理想材料。理论和实验上对于Ge S的高压结构相变研究存在一定争议。我们通过金刚石对顶砧装置及原位高压实验测量技术获得了碲烯和Ge S的结构变化规律,从实验上确定了碲烯的超导电性随压力的变化关系,具体研究结果如下:1.通过高压电学测量,首次发现加压到约1 GPa时碲烯发生金属化,加压至1.2GPa时观察到压力诱导的超导电性。随着压力升高Tc在34 GPa压力时达到最大值6.1 K。2.常压下将二维材料碲烯加压到46.1 GPa过程中经历三次结构相变:4.5 GPa时从六方相转变到单斜相,加压至19.1 GPa时转变到三角相,最后在30.9 GPa时转变为立方相。3.在非静水压条件下发现,常压下正交相Pnma-Ge S结构,加压到24.1 GPa时转变到单斜相P21/m,在33.1 GPa时转变到正交相Cmcm。与前人的研究结果相比,我们发现相变过程受静水压条件影响较大。本论文聚焦于高压下二维材料结构与性质的研究,以单质碲烯为例,探究了高压对超导电性的影响以及二维材料与体材料在高压下性质的差异。以二元化合物Ge S为例,探究了高压下二维材料结构的变化以及静水压对二维材料结构相变的影响。本工作的研究结果为我们理解二维材料的结构与高压和超导现象之间的关系提供了一个新的方向。
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