PDF《超高压下CsBr的 结构 与相变》

第⒓卷第2期 199B年 6月 高压物理学报CIIlNEsE JOURNAL OF HIGH PRm1lRE PHYsICs Vd.

12,N° .

2 June,1998 超高压下 CsBr的 结构与相变 艹 王莉君 陈良辰 李凤英 顾惠成 周镭车荣钲 (中 国科学院物理研究所,北京 10∞80) 摘要 采用金刚石对顶压砧高压装置(DAC)、 同步辐射X光源和能散法,对CsBr粉末样 品进行了原位高压 X光衍射实验 ,最 高压力 115GPa. 观测到在 s3GPa左 右压力下 ,CsBr的最强衍射峰(110)劈 裂成两个峰,标 志简单立方结构向四方结构的转变;

在 0至 最高压力范围内 (相 应于 y/%为 1至 0,弱3)测 量了晶轴比 c/@;

在115GPa内 未观测到样品的金属化现象. 关键词 CsBr 同步辐射 高压 X射线衍射 中图法分类号 0sz1.2 1引言在静态百吉帕量级压力下研究物性 ,对 揭示物质的新性质、 发现新现象及寻找新材料具有 重要意义 ,无 疑属当前高压物理的前沿课题.由于技术上 的困难 ,目前J国 际上还仅 限于少数 几个实验室能开展百吉帕级压力范围的研究工作 ,国 内的则更少.在本工作完成以前 ,我 国同 步辐射 X光实验所达到的最高压力为 ηGPa. CsBr、 CsI和CsCl与 一般碱 卤化合物的 Nac1(B1型 )结 构不同,在 常压下属 CsC1( 型)结构,是 研究高压下物质结构 、 状态方程和绝缘体的金属化转变的典型材料[l]. 理论估算它们在 大于百吉帕的超高压作用下会 由于能带交迭而发生绝缘体 的金属化转变 .Ma. 等对 CsI的研究压力 已高达 sO2GPal川 (在 110GPa左 右观察到金属化现象). 关于 CsBr和CsCl的 实验 尚进行 得较少 ,除 本工作外 ,达 到的最高压力均未超过 sOGPal1'

3ˉ 列.我们 曾在北京高能所的同步辐射装置上进行过两次关于 C$r的 高压 X光实验 ,由 于受 当 时的 X光光源条件所限 ,实 验达到 的最高压力为 ,4GPar1]. 鉴于有可能在百吉帕级压力下 观察到某些碱 卤化合物 由绝缘相转变成金属相 的变化过程 ,我 们在 同步辐射装 置上进行 了CsBr的 第三次高压 X光实验.

2 实验方法采用同步辐射多色 X光源和 DAC高 压装置进行高压 X光 能散衍射实验.具体 的实验装 置及方法与文献 [1]大 致相 同.为获得更高压力 ,倒 角金 刚石压砧 的大 、 小 台面直径分别为 45%m和150umo用I301不 锈钢作封垫 ,经 预压后厚度 约g%m. 封垫 中心孔 直径 为g%m. 样品为 CsBr白 色粉末 ,仍用R粉末作压力 内标 ,与样品一起装人封垫孔并压实.由于 CsBr粉 末极易压缩 ,具有良好的传压性能 ,故 样品不用加入其它的传压介质 即可达到准静水压状态. + 国家 自然科学基金资助项 目(批准号 叨7钔 ). 王莉君:女,190o年 ⒓月生,副研究员. l999-11-1zI收 到原稹-.1998-01-1z收 到修改稿. 第 2期 王莉君等 :超高压下 CsBr的 结构与相变 实验在北京高能所的同步辐射实验室进行 .实验条件 比以往有较大改善 ,实 验期 间储存 环电子能量为 2.2GeV,电 流强度 由原来 的3O~1OmA提 高到 ⒛ ~sOmA,因 而大大提高了信号 强度 ,使 在超高压下强度 已变得很弱的信号之收集也得 以保证 .X光 的光斑为 30胛1* sO叩. 用以h)探测器收集不同压力下的衍射能散谱 ,每 个谱 的收集时间为 3O~ω血n(在 普通 X光 机上 ,照 一张百吉帕级压力的 X光底片需耗费 3ω ~鲳0h,尚且由于曝光时间过长造成衍射线 弥散而不能保证其质量). 此外 ,调 光及加压过程 的初步机械化也使工作效率 明显提高 ,从而节约了实验 占用的总机时.本次实验最高压力达到 115GPa,仓刂造了我国同步辐射实验所达压 力的最高记录(原 记录为 TaGPa). 这次实验共耗机时 16h. 实验压力 P由 内标 R(111)衍 射峰的位置根据 R的 状态方程计算得.样品的晶面间距 鳊 则由观测到的样品衍射峰所对应的能量值 E羽 依据能散公式 E硗・d拥 O・ 61993/蛀nε (keⅤ ・ mm) 计算出.式中:散 射角 卩的值根据零压下内标 R的(111)衍射峰的位置确定.本实验中 ε = 9,4145° . 立方 晶系 CsBr的 晶格 常数 @及 四方 晶系 的 色和 c可 由相应 的 d羽 值算 出 ,进 而 可求得 常 压和高压下 的体积 ‰ 和y. 能量值 E拥 与能散谱 中通道数 的对应关 系事先 已经 sn、 R、 Cs和Br的荧光 峰标定 .

3 实验结果 . 图 1是不同压力下采集的几个典型能散谱,可 以明显看到,除 了荧光峰不变外,其 它所有 谱线均随压力的增加向高能方向移动.图2为 零压谱,除 R的 (111)、 (2∞)和(311)及一条封 垫线外,所 有谱线可指标化为简单立方结构,G. =0. 辊9Onln. 其较强衍射峰(2∞ )、 (211)、 (2⒛)、 (310)、 (222)和(321)均 清晰可见,但 最强峰(110)因 被低能区的强荧光峰掩没而看不 ⌒ 屮一cハ°L￠ˇ>

屮ΦcΦ屮c一115GPa θ 7CPa 74GPa 53CPa 早::;

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20 25 Energy/(keV) 图1CsBr在不同压力下 的能散 X射线衍射谱 瑰Energyˉ 山Ψ 痫屺Xˉ my山岱 a珀on pattem of CsBr mder vaoous prsues

20 Energy/(keV) 图 2样 品CsBr和 内标 R在常温 常压下 的能散 X射线衍射谱 Πg.2Energy-山习 阝*§h℃ Xˉ ray dⅡ E习c刂on paJem of CsBr and R at田濒mt¤mxⅡ刂on 第⒓卷到,随着压力增加(110)峰 逐渐向高能方向移动,在 压力超过 ⒓GPa后 从荧光峰区移出. 比较不同压力下的能散谱,我 们发现:低于50GPa时,(110)的 峰形没有什么变化;

压力P .2GPa时,(110)峰 不再是 Gauss对 称分布,压 力愈高,峰形的不对称愈甚 ,直到P⒎GPa, (I10)才 明显劈裂成两个峰(见图1). (110)峰 的劈裂标志了 CsBr晶 体结构由立方相向四方 相的转变,其相变压力低于 s3.2GPa(两峰未能 明显分裂开是由于受实验系统分辨率的限制). 图 3展示了 dIIO等 面间距与压力 p的关系.图 4为 晶轴 比c/c与压力的关 系图.在0~ sOGPa的 压力范 围内,CsBr为 简单立方结构, Cs+位于(OOO),Br-位于(1/z,1尼,1 ),c G, 故c/G 1. 相 变后 四方 相 c轴与 巴轴 的 比率 由分 裂后的d110与dO11数据计箅得,可 清楚看到,c/c随压力增加而升 高 .说 明CsBr相 变后 在压 力作用下同种最近邻离子(Cs+与Cs+, Br与Br-)间距比异种最近邻离子 (Cs+与Br^)间 距更易被压缩. O B2 struoture ˇ Tetragonal struoture ` ˇ J氵'

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20 40

60 80

100 120 Pressure/(GPa) 图4CsBr的c/@晶轴比随压力 的变化 ∏g.4 孔Ⅱo ofu血t ce paramete【 Bc/@ as a仙汛 on of pressure for CsBr 实验的 p、 y/%数据见图 5. 相变时的 变,立 方艹四方的结构相变属二级相变. 用二阶 胁ch=M~aman(:-M)方程o32 '

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120 Pressure/(GPa) 图3CsBr的 晶面 间距 随压力 的变化 叱.3 hteFpl-r spacIng as a咖of pressure for CsBr o

20 40

60 80

100 12o Prθ ssure/(GPa) 图5 CsBr的pˉ 7关系 (曲 线系用 Bˉ M状态方程拟合而得) ∏ g.5 %'

%as a凡 Ⅱ刂 on of pregsure for CsBr (‰ cmve is ule Et.f ule EOs.fB~M) y/‰ 约为0.5 . 由于 相变时体积没有发心`°°```生突第2期 王莉君等 :超高压下 CgBr的 结构与相变 p (3 )・ KO・ [(y/%)ˉ 叨-(y/%)ˉ s/3]・ 扭-(%饵)・ 0-K. '

)・ [(//‰ )ˉ 叨 -叫 } 拟合实验数据所得的曲线也示于图 5. 当KO′ =5. 39时 ,计算得 K. 1s. 笼GPa,与 用超声法测 到的 CsI数据很一致 Esl. 4讨论(D在P=9sGPa时 ,发 现样 品由无色透 明变成红棕色,图 4中 c/G随 压力 的走 向在 98GPa附近似乎也有所变化,但 因百吉帕以上的压力数据太少 ,尚 不能........