納米材料高壓行為的研究.pdf

1、本文主要利用高壓原位同步輻射X射線衍射技術(shù)和金剛石對(duì)頂砧高壓裝置，對(duì)納米尺寸Ge-I(立方金剛石結(jié)構(gòu))、g-GeO2(α-石英結(jié)構(gòu))、和β-Ga2O3的高壓行為進(jìn)行了研究，并對(duì)比了相應(yīng)大塊材料的高壓數(shù)據(jù)，以期了解晶粒尺寸對(duì)相變壓力、體彈性模量的影響。本文還總結(jié)了IVA族單質(zhì)半導(dǎo)體、IIIA-VA族和IIB-VIA族二元半導(dǎo)體材料的高壓數(shù)據(jù)，探究相變壓力Ptr和能隙之間的關(guān)系。
　　 首先利用能量色散X射線衍射技術(shù)對(duì)晶粒尺寸為10

2、0 nm、49 nm和13 nm的Ge進(jìn)行了高壓實(shí)驗(yàn)，最高壓力為35 GPa。發(fā)現(xiàn)在高壓下會(huì)發(fā)生Ge-I→Ge—II的相變，相變壓力分別11.5 GPa、12.4 GPa、16.4 GPa。根據(jù)壓力-體積數(shù)據(jù)計(jì)算出Ge-I相在零壓下的體彈性模量分別為88GPa，92 GPa、112 GPa?？梢钥闯?，隨著晶粒尺寸的減小，其體彈性模量逐漸升高，相轉(zhuǎn)變壓力亦隨之提高。本文建立了一個(gè)描述晶粒尺寸與體彈性模量關(guān)系的模型，并利用Jamieson公

3、式計(jì)算了相變壓力隨晶粒尺寸的變化，盡管在數(shù)值上存在一定的誤差，但理論計(jì)算結(jié)果成功預(yù)示了隨著晶粒尺寸的減小，體彈性模量和相變壓力增加的趨勢(shì)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　 其次又利用能量色散X射線衍射技術(shù)研究了晶粒尺寸為40 nm和260 nm g-GeO2的高壓相變，最高壓力分別為51.5 GPa和40.6 GPa。在加壓過(guò)程中發(fā)生了兩種相變：首先由α-石英結(jié)構(gòu)的GeO2轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷eO2，40nm q-GeO2相變的起止壓力分別為1

4、0.8 GPa和14.9 GPa，而260 nm q-GeO2的則為9.5 GPa和12.4 GPa；然后會(huì)發(fā)生非晶相到單斜相的轉(zhuǎn)變，40 nm和260 nm的試樣檢測(cè)到單斜相的壓力分別為26.9GPa和28.4 GPa。這種單斜相和非晶相的混合物可以保持到實(shí)驗(yàn)的最高壓力，并能夠保留到卸壓以后。這個(gè)結(jié)果表明非晶相與單斜相的自由能比較接近，因此起始材料中的缺陷對(duì)q-GeO2在高壓下發(fā)生何種相變有很大的影響。
　　 而后又利用角度色

5、散X射線衍射技術(shù)對(duì)晶粒尺寸為14 nm的β-Ga2O3進(jìn)行了高壓研究，最高壓力為64.9 GPa。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)β-到α-Ga2O3相變的起始?jí)毫υ?3.6-16.4 GPa之間，相變進(jìn)行的很緩慢，為不可逆相變，最高壓力下的相仍為α-Ga2O3，并可保留到卸壓后。根據(jù)第一性原理的計(jì)算結(jié)果以及相變壓力和能隙之間的關(guān)系，我們判定納米β-Ga2O3的相變壓力要高于大塊材料。壓力提高的主要原因是由于納米β-Ga2O3和α-Ga2O3表面能的差異，數(shù)值

6、大約為4.6-4.7 J/m2。根據(jù)體積壓縮數(shù)據(jù)計(jì)算了β-Ga2O3和α-Ga2O3的體彈性模量，當(dāng)B0'=4時(shí)β-Ga2O3和α-Ga2O3的體彈性模量分別為228 GPa和333 GPa，都要高于相應(yīng)的大塊材料的數(shù)值。
　　 最后我們總結(jié)了IvA族單質(zhì)半導(dǎo)體、IIIA-VA族和IIB-VIA族二元半導(dǎo)體材料的高壓數(shù)據(jù)。對(duì)于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的二元半導(dǎo)體，在高壓下將從直接半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)镹aCl結(jié)構(gòu)的間接半導(dǎo)體.而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體(不包