Laser-Heated Diamond-Anvil Cell (LHDAC) in Materials Science Research

Laser-heated diamond-anvil cell (LHDAC) is emerging as the most suitable, economical and versatile tool for the measurement of a large spectrum of physical properties of materials under extreme pressure and temperature conditions. In this review, the recent developments in the instrumentation, pressure and temperature measurement techniques, results of experimental investigations from the literature were discussed. Also, the future scope of the technique in various avenues of science was explored.

SnO高压结构稳定性和电学性能研究

近年来氧化亚锡(SnO)在光、电等方面的应用日益广泛,为了拓宽SnO的应用范围,采用拉曼光谱原位测试和第一性原理计算对高压条件下SnO的结构性能和电子性质进行研究。SnO表征结果:扫描电子显微镜结果显示,所选取SnO样品为具有横向尺寸的片状堆叠,整体呈花状;X射线衍射图谱表明,SnO样品在常温常压下晶体结构为四方晶系结构(空间群P4/nmm)。采用Mao-Bell型金刚石压腔结合原位拉曼光谱探究了SnO样品在高压下的结构性能变化,结果显示:SnO在常压有四种拉曼振动模式(A_(1g)、B_(1g)、E_(1g)和E_(2g)),分别位于211、350、113和460 cm^(-1)波数附近,其中113和211 cm^(-1)为SnO拉曼特征峰。随SnO样品体系加压至12.5 GPa,压力使Sn分子间和原子间距不断减小,导致Sn-O键长缩短,当原子发生伸缩振动时,缩短的键长使得键能增大,因此活性拉曼振动模(E_(1g)和A_(1g))均向高频方向移动;随着体系压力的继续增大,晶格发生畸变进而使得非弹性散射强度降低,峰型宽化;当加压至8 GPa时,125和216 cm^(-1)附近振动模峰急剧减小;加压至10 GPa时两个特征峰完全消失,在非静水压环境下8~10 GPa时该物质发生了非晶化;当体系加压至12.5 GPa时,谱图中仍未出现新峰,表明高压下非晶化状态稳定。随后体系进行卸压,卸压至3 GPa后SnO的E_(1g)和A_(1g)模重新出现表明样品恢复低压下的晶体结构,卸至常压特征峰强度明显分别为110和209 cm^(-1)处与加压前吻合,证明了SnO高压相变行为具有可逆性。为进一步了解压力对SnO电学性能影响,使用第一性原理方法计算了SnO在常压和实验非晶化压力(8 GPa)下的电子性质,通过非晶化前后SnO的带隙宽度变化,探究压力对SnO导电性能的影响。结果显示,在常压下SnO为具有0.43 eV带隙的间接带隙半导体,在费米能级附近态密度没有发生重叠,8 GPa时SnO显示金属性质,由于SnO O-p、Sn-s和Sn-p轨道的态密度在费米能级处重叠,导致带隙的闭合,材料发生金属化。研究结果表明SnO高压下可能产生非晶化及压力所导致的非晶化行为可逆,同时高压导致SnO发生半导体到金属的转变,拓展了SnO高压结构和电学性质的探究,为SnO高压下的应用提供进一步帮助。

花岗岩类锂矿床中锂辉石和锂云母共生性的实验模拟研究

锂是一种稀有金属元素,锂辉石和锂云母是最重要的硬岩型锂矿矿石矿物,探究二者的共生性及条件,对揭示锂元素在不同锂矿石矿物中的赋存机制以及花岗岩类锂矿床的形成机制具有重要意义。本文应用热液金刚石压腔开展了锂辉石-锂云母-H_(2)O体系的原位观测结晶实验,10组实验产物均为锂辉石和白云母,锂辉石结晶集中在500~780℃、350~1300MPa的温压条件下,白云母结晶集中在440~710℃、180~1100MPa的温压条件下。结合前人实验得到的锂云母结晶条件(500~650℃、100~450MPa),以及实验产物云母的激光拉曼线扫结果,可以得到以下认识:锂辉石与白云母结晶温压条件具有较高的重叠度,与二者可在伟晶岩中广泛共生的现象一致;锂辉石和锂云母的结晶主要受到压力影响,温度和体系F含量的影响居于次要地位;透锂长石和锂云母形成于相似的温压条件,但体系F含量的高低分别促进锂云母和透锂长石的产出;在富Li体系中,随着压力的降低可以发生白云母到锂云母的转化,指示出自然界中白云母的锂云母边可能形成于熔体或热液结晶过程中,不一定是热液蚀变的结果。

高压下二元富氢超导体的实验研究进展

自从1911年著名物理学家Onnes发现超导电性以来,人们不断努力提高超导转变温度,室温超导体是人类追逐的百年梦想。在近百年的研究历程中,铜基超导体、铁基超导体及麦克米兰极限MgB_(2)超导体的发现不断刷新了人们对超导领域的认知,也增强了人们进一步提高超导转变温度和挖掘高温超导机制的信心。最近,理论预测并被实验验证的新型富氢化合物显示了高温乃至室温超导电性的巨大潜力,成为室温超导体的最佳候选体系之一。值得注意的是,高压下硫氢化物和镧氢化物均具有超过200 K的超导转变温度,引领了富氢化合物的研究热潮,涌现了一些重要的理论和实验成果。本文聚焦于目前富氢化合物超导体的实验研究进展,从不同氢结构单元及氢成键特征的角度总结和归纳新型富氢化合物的晶体结构性质及超导性能。主要介绍了5种在实验上成功获得的富氢化合物超导体:间隙型、离子型、共价型、笼型及分子型。通过对比分析不同类型的富氢化合物超导体,总结出一些影响超导转变温度的普适规律,并提出目前实验上亟待解决的问题和未来主攻的实验方向。

高压下金属卤素钙钛矿的结构和性质演化研究进展

过去10年里,金属卤素钙钛矿作为一种性能优异的新型功能材料被广泛应用,其研究取得了很多重要进展。压力作为一个基本的热力学变量,可以显著地影响材料的微观结构、原子间相互作用、电子轨道和化学键,是调节材料结构和性能的一个强大工具。与此同时,压力也为研究结构与性质之间的关系提供了新路径。结合金刚石对顶砧高压装置以及原位高压表征技术,总结了金属卤素钙钛矿在高压下的结构及性质变化,包括高压驱动结构相变,有序-无序转变,非晶化,局部结构演化,带隙、光致发光、光响应、电阻等性质在压力作用下的变化,以及高压下特有的奇特性质如金属化转变,系统分析了此类材料的结构-性质关系,并对未来的新型材料设计做出了展望。

微秒到秒时间尺度的高压相变动力学和物性研究:回顾、进展及展望

近年来,基于金刚石对顶砧的快速加载技术(如动态金刚石对顶砧)和时间分辨探测技术的快速发展为高压科学研究开辟了新的研究方向和思路。这些技术使得科学家能够探索微秒到秒级时间尺度的高压非平衡物理过程,填补了静高压与动态冲击波实验之间的空白。本文回顾并总结了近年来在快速加载和时间分辨探测技术上的进展,详细探讨了依赖于加载速率的结构相变动力学、相变途径、亚稳相的形成、微结构、力致发光等现象。希望通过深入思考和系统归纳微秒至秒级时间尺度的高压科学问题和技术挑战,为高压科学领域的研究者提供新的启示和参考。

高压极端条件下的富氢高温超导体

自从在汞中发现4.2 K的超导转变温度以来,寻找室温超导体一直是凝聚态物理领域的研究热点。近年来,科学家在高压极端条件下发现了以共价型H_(3)S(T_(c)=203 K)和离子型LaH_(10)(T_(c)=250 K)、CaH_(6)(T_(c)=215 K)为代表的系列高温超导体,先后刷新了超导转变温度纪录,这些工作开启了学界在富氢化合物中寻找室温超导体的新篇章。本文重点介绍了目前高压下二元和三元富氢高温超导体的理论模拟以及实验制备和表征方面的相关研究进展,分析在富氢化合物中发现室温超导体面临的挑战和可能途径,为实现室温超导做出基础性贡献。

中国金刚石合成触媒材料的发展历程——中国金刚石发展道路之二

人造金刚石合成中触媒材料一直是合成的关键,也是人造金刚石的成本主要来源之一。文章详细回顾了中国金刚石发展六十年来,金刚石合成触媒材料技术的发展历程,从计划经济条件下的触媒材料技术研究到片状触媒技术的发展、成熟,到社会主义市场经济条件下粉末触媒材料技术的多次引进吸收和不断研究创新,缅怀和感谢对我国金刚石发展做出贡献的前辈们。更重要的是中国金刚石行业从业者在金刚石合成触媒材料技术上的研究一直没有中断,前进的步伐没有停歇,而且也必将继续发展下去。

基于模拟实验的原位观察对碳酸盐岩深部溶蚀的再认识

结合川东北地区古地温梯度,利用金刚石压腔(DAC)技术,针对碳酸盐岩设计了一套全新的随埋深增加的水-岩作用模拟实验。模拟实验结果表明,随着地层温度、压力升高,灰岩表现为明显的胶结(沉淀),白云岩在高温高压的酸性地层流体条件下不比灰岩更易溶蚀,说明在封闭-半封闭的埋藏过程中碳酸盐岩不存在大范围的"溶蚀窗"。实验结果可能导致对碳酸盐岩深部储层发育机理的重新认识。

广西栗木钽铌锡多金属矿床的成矿流体演化及其对成矿过程的制约

广西栗木钽铌锡多金属矿床既产具明显垂直分带的花岗岩型钽铌锡矿体,又有石英脉型钨锡矿体,是研究岩浆-热液演化过程的典型实例。本次研究对栗木矿区中水溪庙和金竹源两个矿床开展了系统成矿流体研究。研究表明栗木矿区中的包裹体类型主要有盐水溶液包裹体、H2O-CO2-NaCl包裹体和熔体包裹体三类。自云英岩化钠长石花岗岩→似伟晶岩→长石石英脉型→锂云母萤石脉,盐水溶液包裹体逐渐由定向分布的次生包裹体特征,转变为面状孤立分布的原生包裹体特征,而且均一温度、盐度和密度逐渐降低,具有低均一温度（150-210℃）、低盐度（1.0%-9.0%NaCleqv）和低密度（0.83-1.05g/cm^3）的特点。H2O-CO2-NaCl包裹体和熔体包裹体主要产在钠长石花岗岩和似伟晶岩中,H2O-CO2-NaCl包裹体孤立分布,均一温度为260-350℃,盐度为0.8%-8.5%NaCleqv;熔体包裹体的固相初熔温度为560-600℃,完全均一温度为704-853℃,流体相具有与盐水溶液包裹体相近的均一温度和盐度。根据以上资料,本文把栗木矿区的成矿作用分为岩浆阶段的钽铌锡成矿作用和岩浆热液阶段的钨锡成矿作用,估算成岩成矿压力约为270MPa,这有利于栗木矿区的钽铌锡在花岗岩浆阶段发生了相对贫化的富集作用,钽、铌、锡、钨等元素在熔体/流体的分配系数制约了钽铌成矿作用发生在岩浆阶段,而钨锡成矿作用主要发生在热液阶段。

热液金刚石压腔在流体包裹体研究中的应用——以川西甲基卡伟晶岩型矿床为例

流体包裹体是赋存在矿物中的流体样品,均一实验是以其研究成岩成矿流体演化的重要步骤和内容。但某些深成岩或矿床中的流体包裹体,如我国川西甲基卡伟晶岩型锂矿中的富CO2包裹体,因具有较大的内压,当利用传统的热台在1个大气压下加热时,容易发生爆裂而无法观测到均一行为和均一温度。因此,本文利用热液金刚石压腔(HDAC),以H2O为压力介质对流体包裹体施加外压,完成了甲基卡矿床No.134号脉石英中富CO2包裹体的均一实验。实验结果表明,随着外压的增大,均一温度呈降低的趋势,说明流体包裹体在被捕获后并非严格的等容,从而警示我们以后再对深成矿床中具有高内压的流体包裹体进行显微测温时应选用HDAC以获得更为可靠准确的数据。补充富CO2包裹体的均一实验数据后,石英中的H2O-CO2-NaCl包裹体表现出良好分异现象,随着均一状态自液态CO2→CO2与H2O临界相→液态H2O相变化,均一温度和盐度也随之降低,且比锂辉石中的包裹体具有更低的盐度和更大的温度变化范围。这些热力学特征说明,在锂辉石型伟晶岩形成过程中,锂辉石和石英先后结晶,分别主要捕获富子晶包裹体和H2O-CO2-NaCl包裹体,同时Li+不断向锂辉石结晶前锋聚集,使参与流体的Li+含量降低,致使石英中流体包裹体的盐度呈现出降低的趋势。

金刚石压腔高温高压原位谱学研究的评述

金刚石压腔 (DAC)已经可以达到 5 5 0 GPa的压力和 6 0 0 0 K的温度 ,其高温高压谱学原位测量已经成为现代科学的一种重要的手段和方法。目前利用 DAC可以进行光谱学 (拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱 )、衍射 (X射线衍射和 XAFS)、布里渊散射、核磁共振 (NMR)以及穆斯堡尔谱的高温高压原位研究。设计用于各种不同需要的便宜的压腔、合适的谱学测量方法以及压力内标物质是进一步拓宽 DAC应用的发展方向。

人造金刚石加热系统分析及其精密交流调功器设计

建立了加热系统的数学模型,深入分析各类交流加热的特性及差别,指出恒功率加热方式温控效果最佳且与直流加热无明显区别。建立恒功率交流加热系统SABER仿真模型并深入分析系统构成特性,设计一个基于适当功率滤波和输出偏置的模拟PID控制器。仿真和实验结果表明,所设计交流调功器具有成本低、实时性强、适应性好、控制性能佳、温控精度高等特点,能较好地满足金刚石合成工艺的要求。

流体包裹体压力计研究之二：高温高压下碳氢化合物的拉曼光谱

在温度23～315℃、压力高达近2000MPa 下用金刚石压腔下研究了正庚烷、环己烷及其混合物的拉曼光谱特征。结果表明:环己烷和正庚烷混合,只是改变了环己烷及正庚烷的平均 C-H 伸缩振动的拉曼位移,但是并不影响其 P-△■关系式。另外,经过数据拟合,得到了平均 C-H 伸缩振动的拉曼位移与压力的关系为:P=78.21(△■)+71.56。该公式可以用来作为流体包裹体尤其是油气包裹体的压力计。

有限元法在金刚石合成中的应用进展

金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。

流体包裹体压力计研究之一:高温高压下Na_2SO_4溶液的拉曼光谱

用金刚石压腔研究了Na2S04溶液在温度30—400℃、压力90—2400MPa条件下的拉曼光谱特征。结果表明：温度相同时，SO4^2-的对称伸缩振动随压力增大向高频方向偏移；而在压力基本相同时，随温度升高则向低频方向偏移。经过数据拟合得到了SO4^2-对称伸缩振动的拉曼位移与温度、压力的关系为：ρ=190.44△vp＋0．0027t^2＋2．9019t-111．68。该公式可以用来作为流体包裹体的压力计。

金刚石压腔(DAC)实验技术

金刚石压腔实验技术自20世纪50年代发明以来就被广泛应用于高压领域的研究,特别是近年来,随着温度、压力标定技术及各种测试方法的发展,现在已经被广泛应用于物理、化学、地球科学和生物学研究领域。文章通过Mao Bell压腔说明金刚石压腔实验装置的结构及原理。此外,根据温度和压力测定原理,将金刚石压腔的加热装置分为外加热和激光加热,并将压力测量方法划分为三种:(1)矿物谱学压力测定;(2)状态方程压力测量;(3)矿物相变法压力标定。

利用热液金刚石压腔开展扎布耶石(碳酸锂)结晶实验的研究

花岗伟晶岩一般赋存了大量富晶体包裹体,扎布耶石（碳酸锂）是锂辉石中富晶体包裹体内的主要矿物之一,因此,扎布耶石的形成机制和温压条件对富晶体包裹体的捕获条件有重要的指示意义。本文通过热液金刚石压腔（HDAC）开展Li_2CO_3-H_2O体系的结晶实验,9组实验结果表明,扎布耶石的成核温度是550（±30）℃,大约在温度降低15℃后,晶体停止快速生长,而后缓慢生长直至在400（±50）℃完全停止生长。扎布耶石的生长主要集中在550~400℃,而与压力影响不大,处于锂辉石的稳定温度范围内,这佐证了富晶体包裹体中的扎布耶石可以是捕获流体直接结晶形成的晶体。扎布耶石开始结晶后经历了快速生长,导致包裹体内部压力降低,这可能是富晶体包裹体内存在方石英的原因之一。

高压下石英的激光拉曼光谱研究

在高压实验中,石英的相变被广泛作为实验仪器压力校正的标准,而在压力较低的情况下,石英通常还被用作压力指示剂,用来指示金刚石压腔中的压力。Christian等曾经论述了石英的拉曼特征峰的漂移小于20cm-1时,其漂移量与压力的关系式。为了扩大关系式的适用范围,笔者利用金刚石压腔,以目前广泛使用的压力指示剂—红宝石作为压力指示剂,通过实验讨论了该关系式,拟合出了与该关系式不同的一种新的关系式:P(MPa)=-1.094 83E7+67 495.237 31×ΔV-138.706 91(ΔV)2+0.095 04(ΔV)3。

利用热液金刚石压腔开展黑钨矿结晶实验的初步研究

钨是一种工业用途广泛的稀有金属,主要产于热液型矿床。确定钨元素迁移和沉淀的物理化学条件对于揭示热液型钨矿床的形成机制具有重要意义。本文应用新型热液金刚石压腔(HDAC-VT)开展了(Fe,Mn)WO_4-Li_2CO_3-H2O体系的原位观测结晶实验,9组实验结果表明,黑钨矿晶体的结晶温度集中在560~500℃,结晶压力主要集中在400~200MPa。黑钨矿的溶解度随体系内CO_2组分相对含量的增加而增加;碳酸锂的结晶导致CO_2组分的减少,诱发黑钨矿的快速结晶,这指示出CO_2组分对钨的迁移和沉淀具有重要作用。含矿流体中CO_2组分的散逸可能是黑钨矿沉淀富集成矿的重要因素之一。