1、项目名称： 超高压下凝聚态物质的新结构与新性质首席科学家： 崔田 吉林大学起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 教育部二、预期目标本项目的总体目标： 在超高压下凝聚态物质的新结构与新性质前沿领域做出重要原创性的工作，获得一批国际水平的研究成果，形成我国有特色的高压科学研究体系，造就一支具有创新思维的中青年高压研究队伍，使中国高压研究的总体水平进入国际先进行列，进一步提升在国际高压界地位。五年预期目标: 为完成总体目标，集中进行以下几个方面的研究工作： 1）超高压下凝聚体系的金属化与奇异性能，2）超高压下强关联体系中价电子的行为， 3）超高压下纳米限域体系的结构演化，4）超高压下
2、的化合物半导体的电输运与新效应，5）超高压下亚稳相的截获与材料的微结构及性能调控。揭示超高压下纯氢以及富氢体系中分子的解离机制，探索可能产生金属氢的新途径，实现压制金属化；获得不同压力-温度-组分空间中，新型含3d、4d、5d 关联体系的结构特征和奇异物性，揭示超高压关联体系材料磁、电和介电的物理机制和晶体及电子结构起源；总结在纳米尺度、空间受限条件下压致分子体系的键合规律；揭示高压下准一维纳米体系的结构演化以及力学、电学等性质随压力的变化规律；揭示化合物半导体的结构、电输运行为与其特殊功能性质之间的内在联系，诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵以及各物理量之间的内在联系及其规律；
3、在新型材料的超高压合成方面，由唯象研究上升到注重内在物理本质的探索，获取截获高压亚稳相的新方法及规律性认识。合成出 3d、4d、5d 族 3 种以上 Mott 有序化和 Stoner 型磁电新材料、3-5 种有代表性高致密化超细微结构的高性能块体材料。预期的科学研究成果：拟在 SCI 收录的国内外著名学术刊物上发表论文 300 篇以上，撰写 13 部专著，申报高水平的奖励 35 项，申请发明专利 15-25 项。同时培养高压领域的拔尖人才以及学术带头人，培养博士研究生 50 名、硕士研究生 200 名。三、研究方案1）学术思路： 在前期 973 项目建立的多项高压技术的基础上，突出创新，发现新
4、现象、新物质，创建新理论，形成有特色的高压科学研究体系。将若干个有重大科学意义的国际高压科学前沿基础问题作为重点，通过跨领域的紧密合作，在某课题上再利用动高压对静高压的补充作用，集成优势攻关。从构建研究体系入手，本着从常规体系到强关联体系、从小尺寸到体材料的原则，选择具有代表性、倍受关注的物质体系作为研究对象，确定高压相结构，获得超高压下的相变过程与规律。利用超高压下原位测量实验和高压理论，深入认识超高压下典型凝聚态物质新的原子空间分布和新的电子状态以及微观相互作用规律，揭示物质结构与性质的高压调制、演化过程以及截获特殊的高压相。2）技术途径： 实验途径：利用高压原位 x 光衍射实验，研究高压
5、下凝聚态物质的结构；利用金刚石对顶砧集成测量电路，研究超高压下的原位电导率、阻抗谱和霍尔效应等电输运性质；利用原位高压光谱学方法研究物质的电子结构，声子状态以及光学性质等；利用高压 Mossbauer 谱、X 光非弹性散射方法，研究原子电子状态的变化；采用大体积高压设备如六面顶压机和二级推进压机，开展系统的高温高压合成实验研究，合成出理论上设计出的新型高压相材料。利用冲击波动高压原位结构与性能的探测，对静高压研究进行补充，实现热力学多路径高原位研究。通过对多实验系统的综合协调来实现同一环境下的多物理量测量，实现准确的物理参数表征，构建物理量之间的客观联系。理论途径：利用蒙特卡罗、分子动力学、从
6、头算分子动力学等方法研究超高压力下凝聚态物质的结构、结构相变及其动力学过程；利用第一原理的密度泛函理论，研究高压相的能带结构、态密度、电子状态的变化，以及光学、电学以及力学等性质等。3）创新点与特色： （1）研究体系的构建：从常规体系到强关联体系，从小尺寸到体材料，选择具有代表性的、倍受关注的凝聚态物质作为研究对象，研究体系物理现象丰富。（2）研究方法和技术：利用我国自己发展的、拥有自主知识产权的、国际领先的高压实验方法与技术和表征手段，进行多种高压下原位、微区、精密的物质结构和性质的测量。项目组率先建立了世界上第一台激光加热原位高温高压Raman 光谱实验系统，国内唯一的激光加热原位高温高压
7、同步辐射与常规 X 光衍射实验系统以及高压布里渊散射等实验系统，拥有能够同时进行高压下物质结构和弹性、电学、光学等物理性质研究的、世界上先进的集成原位超高压技术。特别是在前期 973 项目的支持下建立并完善了具有国际先进技术水平高压原位电学及磁学测量技术，建立的可开展超高压高温合成的六八型二级推进高压高温合成装置，大大提升用于高压高温合成新材料的压力上限和创造新材料的可能。我们邀请到我国动高压专家加盟本项目，研究方法和技术得到了进一步的扩充与发展。利用冲击波产生动高压，选择热力学可控的新的研究路径进行高温高压研究，为取得重大突破提供了新的途径。（3）研究思路：利用压力对物质微观结构特有的调控作
8、用，深入认识凝聚态物质的结构、电子状态、物理性质及其本质联系，发现高压下的新现象和新规律。找到常规条件无法发现的新的高压相，为合成新物质提供科学依据和理论指导。在金属氢等重大科学问题的研究方面有独特的思路，将利用：静高压与其它极端条件结合、通过动高压尝试热力学可控的新的研究路径、利用纳米限域与高压的综合效应，探索新的研究之路。（4）科学问题：研究内容是当前高压领域的热点和基础前沿问题。在电子状态、原子间键合方式及其动力学过程等深层次上开展物质压力效应的系统研究，能够揭示压力效应的物理本质。4）取得重大突破的可行性分析：（1）高压下物理量的原位测量，是高压科学赖以生存和发展的基石。高压科学研究水
9、平的高低，强烈依赖于高压下原位物理量测量技术的先进程度。微型金刚石对顶砧实验技术的突破，使得在实验室中可产生百万大气压以上的静态压力的同时，能在高压条件下直接原位测量物质的结构和性质。参加研究的单位包括二个国家重点实验室、一个国防科技重点实验室和一个国家正负电子对撞中心同步辐射高压站，拥有国际先进和完备的高压实验条件，还自主发展了国际领先的实验方法与技术，如激光加热高温高压拉曼光谱与 X 光衍射的原位测量方法、超高压下的瞬态测量和高灵敏高选择性测量技术、新一代集成高压技术，新六八型二级推进型超高压高温合成装置，这些实验条件，有的已经成功应用到前期 973 项目中，有的是在前期 973 项目中得
10、以完善和发展的，为本项目的完成提供了可靠的技术保障。同时，也大大提高了做出国际领先、原创性成果的可能性。（1）选择的研究体系是凝聚态物质科学中倍受关注的对象，展现出的物理现象十分丰富，存在许多机遇与挑战，极有希望取得突破性进展。如对产生金属氢新机制的探索、新型关联体系的超高压研究等，为获得有影响的重要创新成果，提供了新的途径；纳米材料是当前的研究热点，超高压条件的介入，为创新成果的出现增加了新的机会。（2）在超高压条件下揭示物质宏观性质与微观电子结构的关系，是一个非常活跃的新领域，容易产生原创性的科研成果，可能形成重大突破。前期 973 项目的研究中，已经取得这方面的主要成果，例如我们发现金属
11、钠在高压的作用下改变成了新的结构，从而变成了透明的绝缘体，发表在 Nature 杂志上。（3）通过研究凝聚态物质的相变规律，找到常规条件无法发现的新的高压相，再截获高压相，制备出新材料，是产生新物质的有效途径。在前期的 973 项目支持下，我们已经利用高压方法成功地制备出一些全新的高压相化合物，包括新型关联体系、新型超硬多功能材料等。在这个他人涉足不多的新领域，用自己研发的新的方法与技术，可以寻找出更多的高压新相材料。（4）承担单位有长期的合作基础，曾完成了多项科研任务，包括前期 973 项目，取得了一批重要研究成果。有一支以年轻人为主、知识结构合理富有科技创新能力的研究队伍，具有丰富的研究经
12、验，能掌握超高压凝聚态物质研究领域的趋势和前沿，发展了有自己特色的实验方法与技术，并且与国际高压界有良好的学术交流和紧密合作。本项目研究涉及到高压物理、材料科学、化学等多学科，不同学科的交叉融和，多种实验手段和技术的优势互补， 能够针对同一问题进行多方位的协同研究，有利于获得原创性的科研成果。5）项目组织形式采用 973 项目管理的成功经验，由首席科学家负责，集中管理，分工实施，组织跨学科、跨单位的联合攻关。6）可行性分析（1）高压下物理量的原位测量，是高压科学赖以生存和发展的基石。高压科学研究水平的高低，强烈依赖于高压下原位物理量测量技术的先进程度。微型金刚石对顶砧实验技术的突破，使得在实验
13、室中可产生百万大气压以上的静态压力的同时，能在高压条件下直接原位测量物质的结构和性质。参加研究的单位包括二个国家重点实验室、一个国防科技重点实验室和一个国家正负电子对撞中心同步辐射高压站，拥有国际先进和完备的高压实验条件，还自主发展了国际领先的实验方法与技术，如激光加热高温高压 Raman 光谱与 X 光衍射的原位测量方法、超高压下的瞬态测量和高灵敏高选择性测量技术、新一代集成高压技术，新六八型二级推进型超高压高温合成装置，这些实验条件，有的已经成功应用到前期 973 项目中，有的是在前期 973 项目中创建、完善和发展的，为本项目的完成提供了可靠的技术保障。同时，也大大提高了做出国际领先、原
14、创性成果的可能性。（2）选择的研究体系是凝聚态物质科学中倍受关注的对象，展现出的物理现象十分丰富，存在许多机遇与挑战，极有希望取得突破性进展。如对产生金属氢新机制的探索、新型关联体系的超高压研究等，为获得有影响的重要创新成果，提供了新的途径；纳米材料是当前的研究热点，超高压条件的介入，为创新成果的出现增加了新的机会。需要强调的是项目的研究是我们前期 973 项目的继承和发展，多个课题都是在前期取得的成果和建立的基础之上展开的，所选择的研究对象关联性很大，在完善的研究平台的支撑之下，完全有能力在更为宽广的压力温度区域和组分尺度范围开展和完成各个课题的任务，取得重大突破。（3）在超高压条件下揭示物
15、质宏观性质与微观电子结构的关系，是一个非常活跃的新领域，容易产生原创性的科研成果，可能形成重大突破。前期 973 项目的研究中，已经取得了多项重要成果，例如我们发现金属钠在高压的作用下改变成了新的结构，从而变成了透明的绝缘体，发表在 Nature 杂志上。（4）通过研究凝聚态物质的相变规律，找到常规条件无法发现的新的高压相，再截获高压相，制备出新材料，是产生新物质的有效途径。在前期的 973 项目支持下，我们已经利用高压方法成功地制备出一些全新的高压相化合物，包括新型关联体系、新型超硬多功能材料等。在这个他人涉足不多的新领域，用自己开辟的已经成功的新方法，可以寻找出更多的高压新相材料。（5）承
16、担单位有长期的合作基础，曾完成了多项科研任务，包括前期 973 项目，取得了一批重要研究成果。有一支以年轻人为主、知识结构合理富有科技创新能力的研究队伍，具有丰富的研究经验，能掌握超高压凝聚态物质研究领域的趋势和前沿，发展了有自己特色的实验方法与技术，并且与国际高压界有良好的学术交流和紧密合作。本课题研究涉及到高压物理、材料科学、力学、化学等多学科，不同学科的交叉融和，多种实验手段和技术的优势互补， 能够针对同一问题进行多方位的协同研究，有利于获得原创性的科研成果。7）课题设置根据本项目的总体思路和预期目标，侧重不同的研究体系和研究内容，充分利用前期奠定的基础,特别是在高压技术和方法方面，本着
17、集中攻关和适当延展的原则，加强协作及实验平台的共享，设置了五个研究课题，包括：（1）超高压下纯氢以及富氢体系的金属化与奇异性质；（2）超高压下的新型关联体系；（3）超高压下纳米限域体系的新结构与新性质；（4）超高压下典型半导体材料的电输运特性；（5）超高压下亚稳相的截获与材料的组织与性能调控。课题 1、超高压下纯氢以及富氢体系的金属化与奇异性质预期目标：揭示超高压下纯氢以及富氢体系中分子的解离机制，探索可能的产生金属氢的新途径，实现压制金属化。深入认识凝聚态物质的电子状态、原子价态、原子间键合以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律，为创造新型能源、功能材料，以及对新材料合成中的基本问题的理解
18、提供理论支持。研究内容：利用原位、微区、精密的物质结构和性质的静高压实验、冲击波产生的动高压实验和第一原理密度泛函等理论研究相结合，以单核共价氢化物（如AlH3、NH 3、CH 4、SiH 4）以及双核及多核的氢化物（如N2H4、B 2H6、H 2O2、C 2H6、Si 2H6 等）为研究对象。探索在存在其它元素化学预压的情况下，这些富氢体系结构随外界压力的变化，以及金属化出现的条件及其性质的变化，探索氢的子体系的微观状态随压力的变化可能带来的新奇宏观性质，如高温超导特性等，为金属氢的研究提供新的物理图象和指导。研究压力对纯氢体系的结构与性质的影响，同时研究压力以及其它外界条件对氢分子内部氢原
19、子间键合的综合影响，探索产生金属氢的新途径，从而实现氢的金属化。承担单位：吉林大学、中国工程物理研究院课题负责人：崔田学术骨干：何志、蔡灵仓、马琰铭、经福谦、邹广田课题 2、超高压下的新型关联体系预期目标：制备 3 种以上 3d、4d、5d 族 Mott 有序化和 Stoner 型磁电新材料，获得不同压力- 温度-组分空间中，新型含 3d、4d、5d 关联体系的结构特征和奇异物性，揭示超高压关联体系材料磁、电和介电的物理机制和晶体及电子结构起源。研究内容：利用高压条件，在拓宽的压力-温度-组分空间，进行 3d、4d、5d 关联体系Mott 有序化和 Stoner 型磁电新材料的高压合成研究。结
20、合多种极端条件综合测试平台，高压原位研究其异常化学价态、结构和磁性、电性、介电等物理性质及其相互作用和转化，总结高压下结构变化规律以及高压对材料稳定性的影响，建立高压下新型关联体系结构、化学组成、物理特性所产生的全新临界关系。针对 Mott 有序化和 Stoner 巡游磁体的热点问题，如多种有序及其相互作用和转化、配位体对电子结构的精细作用、d 电子的局域和扩展，研究超高压电子关联和多体效应，同时从理论上预测与解释这些体系的高压行为，寻找电子结构参数与压力的关系，深入认识高压下含有 3d、4d、5d 的展宽关联体系中价电子的行为以及微观相互作用规律。承担单位：中国科学院物理研究所、中国科学院高
21、能物理研究所课题负责人：董成学术骨干：陈良辰、李晓东、杨立红、冯少敏、靳常青课题 3、超高压下纳米限域体系的新结构与新性质预期目标：总结在纳米尺度、空间受限条件下压致分子体系的键合规律；揭示高压下准一维纳米体系的结构演化以及力学、电学等性质随压力的变化规律，为高压下金属氢的产生提供新的图像。研究内容：采用高压原位实验技术，系统研究限域于碳/BN 纳米管、分子筛道等纳米体系内 I2、N 2 等典型双原子分子体系、H 2O 等含氢分子体系的高压结构变化，探索其相变的物理机制；寻找这些体系在准一维限域下发生金属化的条件，探索其金属化物理机制；研究它们在准一维限域下向原子相的转变的规律，揭示小分子体系
22、在高压下由分子相到原子相的分子解离机制，弄清高压下金属相的形成过程，力争获得限域于纳米管内固态小分子体系全新的压致结构相变规律全然不同于体材料的新规律。针对三聚氰胺、胍等超分子体系，重点研究高压原位结构变化，高压下结构稳定性的变化，获得分子间弱相互作用力与分子内强相互作用之间的相互变化规律。该研究不仅有助于加深对纳米限域体系独特的结构变化、原子分子间键合以及光学、电学等物理性质随压力的变化规律的认识，也将为获得全新的纳米级新材料提供新途径。承担单位：吉林大学、清华大学课题负责人：刘冰冰学术骨干：崔啟良、姚明光、王霖、邹勃、王治强课题 4、超高压下典型半导体材料的电输运特性预期目标：揭示化合物半
23、导体的结构、电输运行为与其特殊功能性质之间的内在联系，诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵以及各物理量之间的内在联系及其规律。研究内容：在已有的高压下多物理量分别测量的基础上，突破多物理量联合测量的技术难题，将电导率、介电常数、磁阻率、霍尔系数、载流子浓度、迁移率等描述物质电输运性质的物理量测量集成起来，实现多物理量的联合测量，在同等温度压力条件下对样品的多物理量进行全方位表征，使所测量的物理量能够准确反映物质的性质，进而建立高压下各物理量之间的关联和制约关系。课题将以典型的化合物半导体为对象，进行高压下结构和电输运性质的实验和理论研究。从高压下的结构、电导率、磁阻率、介电常数、霍
24、尔效应表征入手，研究压力作用下载流子的形成、类型、迁移率、浓度、有效质量等物理性质随压力的变化关系和各物理参数之间的联系，获得压力作用下从半导体到半金属直至金属化状态时载流子行为的演化规律和变化特征，建立带电粒子间相互作用与电输运性质转化之间的联系，比较 ns、np、nd 价电子间的相互作用随压力变化的差异和不同壳层价电子间相互作用随压力的变化规律。承担单位：吉林大学、燕山大学课题负责人：高春晓学术骨干：彭刚、韩永昊、刘洪武、王欣、张湘义课题 5、超高压下亚稳相的截获与材料的组织与性能调控预期目标：研制 3-5 种有代表性高致密化超细微结构的高性能块体材料，获得这些新型功能晶体的状态方程和相变
25、规律，积累这些晶体的晶体学、力学、电学、光学、热学等结构与性质的实验数据。研究内容：探索截获高压亚稳相的新方法及规律性认识。针对过渡金属硼化物、碳化物、氧化物及 B-C-N-O 轻元素体系，通过理论设计与实验的相互印证，认识超高压导致物质电子结构发生突变的物理本质；确定核外电子价键状态及原子排列方式在超高压下失稳的物理判据与边界条件；预测、设计和合成在超高压下可出现的化学物质及晶体/非晶体结构；探索超高压条件下材料内部原子 /原子基团扩散、晶体成核和生长规律，由此调制材料的微结构与相组成。在高压下制备出 3-5 种新型过渡金属硼化物、碳化物、氧化物及 B-C-N-O 轻元素体系化合物亚稳相与相应的高性能纳米结构复合块体材料。利用超高压手段和原位测试技术，测量这些新型功能晶体的状态方程并研究压制相变规律。
