超高压下凝聚态物质的若干前沿问题Word格式.docx

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在令世人瞩目的科学问题－金属氢的研究进程当中，发现了多种固态分子氢的新奇的高压相以及相变，在静高压实验中已经出现了金属氢产生的迹象。

但高压在氢分子解离过程中的作用始终没能得到清楚的认识。

由于其它类似的双原子分子晶体中分子间原子的键合要比氢分子弱得多，更容易弄清这些体系中分子感受到的压力效应，对于认识解离过程中压力对原子间的电荷转移、电子轨道变化、自旋的作用、声子行为的作用等微观机制，有重要的科学意义，还有望对金属氢的研究提供新的物理图象和指导。

本课题首先选择典型的双原子分子固体，研究压致分子解离的微观机制。

其次，在一些典型的多原子分子固体的高压研究中，同样发现了压致分子解离的现象，是研究分子解离的微观机制以及宏观性质来源的理想体系。

本课题的另一个研究内容就是选择典型的含氢分子体系，如冰、SnH4、GeH4，研究多原子分子的压致解离机制，以及氢的子体系的微观状态随压力的变化规律，探索在化合物中氢的子体系微观状态的变化可能带来的奇异的宏观性质，如量子流体、超离子状态等等。

在此基础之上，研究压力以及其它外界条件对固态分子氢体系的作用，探索高压下可能产生金属氢的新途径。

本课题还对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，有重要的意义。

为创造新型能源材料，以及对新材料合成中的基本问题的理解提供理论支持。

2）超高压下新型3d族强关联体系微观相互作用规律的认识

以过渡族金属化合物为代表的新型凝聚态体系，由于存在化学键的多样性、d电子的自旋－轨道的交互作用及电子强关联性，拥有丰富的物理现象。

由基态为Mott绝缘体衍生的过渡金属化合物中的窄带金属、高温超导、超巨磁阻等现象成为当今凝聚态物理最活跃的前沿领域，是传统的能带理论和概念所不能解释的，对它们的研究正在揭示出凝聚态物理新图像。

高压对这类体系的研究发挥着重要的作用。

高压提供的独特的热力学条件为研究相关结构及其物理问题提供了新一维空间，如高压可以驱动绝缘体与金属间的相变，许多由温度和组分调控的物理性质具有非常明显的压力效应；

类钙钛矿结构是许多过渡金属化合物的结构形态，而高压易于合成具有类钙钛矿结构的致密物质；

化学变价是过渡金属化合物的主要特征，而压力则可在相当程度上影响原子外壳层电子分布和转移。

在高压下不仅合成了一系列新型钙钛矿化合物，原位加压更获得了164K的超导临界转变温度的最高记录。

这些通常多依赖于温度和化学组分的物理现象若加以显著的压力因素，将产生全然不同的临界关系，其中有丰富的量子力学问题需要研究。

本课题将研究新型3d族强关联体系，深入认识高压下强关联体系中d电子的行为以及微观相互作用规律，在原子尺度上揭示异类原子间的反应机制、电子和原子转移规律以及化合作用，阐明高压新一维度中强关联体系化合物磁性、电性、超导、结构、临界特性等一系列现象的物理机制。

3）超高压下小尺寸体系的结构演化及其物理性质的研究

当凝聚态体系变小到纳米尺度时，显示出与常规体系迥异的结构和物理效应，如量子尺寸效应、量子限域效应等，导致许多新概念的引入和新规律的发现，是凝聚态物理十分活跃的的前沿研究领域。

为了控制纳米体系独特的物理性质，控制尺寸和维度是关键，它们决定着体系的原子结构以及相应的电子状态。

利用高压对结构、尺寸、维度的调制作用，能够从一崭新的角度研究纳米材料的结构演化与物理性质的变化。

“零维纳米球”C60在高压下会聚合，键合成二聚物、一维链、二维层状、三维全方向等多种不同的聚合新结构，并显示出奇异的物理性质，比如，二维聚合的纯C60具有磁性。

高压下纳米材料的研究，不仅可以深入认识纳米材料的物理本质，还能够发现新奇的结构，为合成常规条件无法得到的新型功能材料提供了一个重要源泉。

在纳米领域中，获得尺寸和维度严格一致、结构均一的纳米材料一直是一大难题。

由于尺寸、维度的差异，常常使得不同研究小组，甚至同一小组不同次实验的研究结果差异大，而且所研究的往往是大面积或大量纳米个体性能的平均结果。

单个纳米体系奇特的结构与物性往往被掩盖，极大地阻碍了对纳米体系规律性的认识。

最明显的例子是单壁碳纳米管，目前尚无法得到单一结构的碳管，由于其结构与直径、螺旋度等密切相关，许多基本物理规律，如量子输运、高体弹模量、相图等等的认识还不够深入。

高压为解决这一难题提供了十分有效的途径，由于可以连续改变材料的尺寸，进而改变其结构，开展高压下单个纳米体系变化过程的原位研究，将使人们更清晰地认识纳米材料中的普适性规律，高压将起到其它手段难以替代的作用。

目前，国际上相关研究才刚刚开始，对更为深入的包括电子态以及相关物理性质的研究鲜有报道。

本课题将针对准一维纳米体系，开展高压下单根/单束纳米体系的结构演化过程和物理性质的研究，深入认识纳米尺度下的压致结构变化，揭示纳米尺度下的键合规律、压致相变的物理机制。

本课题的研究还对深入认识小尺寸体系的电子状态、原子间键合以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律，有重要的意义，为创造新型纳米材料提供科学依据和理论指导。

4）超高压下II－VI族化合物的输运过程

高压下电子会经历局域化－非局域化的转变，也能从非关联到强关联。

高压下原子电子间的各种相互作用交织在一起，产生众多新的现象和新的规律。

高压下物质电输运性质的研究，能够揭示原子间以及原子内部不同轨道电子间的相互作用规律，是其它手段难以替代的，也是检验、完善和发展凝聚态电输运理论的重要方法。

高压下与电输运相关的物理量作为物质高压下状态和性质的重要标度，也是研究高温高压下动态过程所必需的物理参数。

在处理高压下的物理问题时，由于许多常压下使用的模型和近似失效，致使高压下获得的实验规律无法得到合理解释。

如：

常压下碱金属电导率与温度之间遵从的布洛赫－格林内森定律，在高压下就无法得到令人信服的结果。

此外，高压下电子的定域化－非定域化、非超导体－超导体、非磁性－磁性等一些转变过程，也与常压下的理论预言相悖。

因此需要采用新的近似，构建新的高压模型。

高压下原位测量电输运过程中的物理量非常困难，对技术要求非常苛刻，致使相应的研究还未真正系统地展开。

近年来，金刚石对顶砧上微区测量电路集成和绝缘隔层技术取得了长足进展，基于集成理念的电导率、阻抗谱以及霍尔效应等测量技术相继取得突破，高压下电导率、载流子浓度、迁移率和极化率等物理量的原位测量得以实现，进行高压下电输运性质的创新研究条件已经具备。

高压下原位电输运性质研究的关键科学问题是获得准确的物理量变化规律和物理量之间的定量联系。

本课题将以物理现象丰富的II-VI族化合物为对象，利用我们自己发展的高压下原位电阻率、霍尔效应、阻抗谱测量技术，系统深入地研究高压下不同温度和电磁场环境中化合物的电输运过程以及相关物理量的变化规律，揭示高压下电输运过程的物理本质，丰富和发展现有电输运理论。

5）轻元素化合物体系中超高压新相的产生与新物质的合成

轻元素化合物体系中蕴含着丰富的高压相，这些高压相多具有优异的力学、电学、光学等物理性质，是发现超硬多功能材料的重要来源。

在轻元素硼-碳-氮化合物中寻找超硬高压相材料，同时揭示这些超硬材料新的功能性质，实现理论设计和人工合成，一直是令人关注的问题。

最基本的物理问题是体系中有哪些高压稳定相，各种相之间的结构如何变化以及各相具有哪些物理性质等等。

通过理论计算，确定在一定外界压力、温度条件下的稳定组份及相应的晶体结构，在一定的范围内建立该体系的多维相图，并预测新相的能带结构、态密度和物理性质，建立某些宏观物理性质与理论可计算参数间的关系，为从该体系中筛选出性能优异的新型功能材料提供理论依据。

在实验上找到满足理论上所设计成分的反应物，寻找合适的触媒，探索高温高压下宏观量合成这些高压相的实验方法，合成出新型超硬多功能材料。

这些新型轻元素高压相化合物的设计、合成与物性研究，既有帮助人们从微观层次上认识该类功能材料，加深对材料结构与其性能之间关系更深刻的物理理解等方面的科学意义，又有潜在的应用背景。

该领域的研究存在着许多机会与挑战，目前国际上的相关研究刚刚起步，可望取得一系列重要的原创性研究成果。

二、预期目标

总体目标：

争取在超高压下凝聚态物质研究领域做出若干重要原创性的工作，获得一批国际水平的研究成果，初步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，在活跃的国际高压界占有一席之地。

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：

揭示超高压下典型分子固体中分子解离的机制，探索可能的产生金属氢的新途径；

获得不同压力-温度-组分空间中，新型3d族强关联体系的结构特征，揭示体系磁有序、轨道有序、电荷有序的基本规律；

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，总结在纳米尺度、空间受限条件下压致分子聚合规律；

揭示高压下II－VI族化合物的电输运特性的物理机制，诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵，检验与发展已有电输运模型。

完成3d族（Cu基、Fe基、Mn基等）Mott有序化磁电新材料、3-5种有代表性的新型硼-碳、碳-氮和硼-碳-氮超硬多功能晶体的高压合成，探索截获特殊高压相的新方法。

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，撰写1－3部专著，申报高水平的奖励3－5项，申请发明专利5－10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100名。

三、研究方案

1）总体研究思路

学术思路

本项目突出创新，注重发现新现象、新物质，创建新理论，形成有特色的高压科学研究体系。

选择有重大科学意义的若干国际高压科学前沿基础问题作为研究的重点，集成优势，实行跨领域的紧密合作，紧紧围绕超高压下凝聚态物质结构与性质变化规律这一核心课题，从构建研究体系入手，本着从单组元到多组元、从常规体系到强关联体系、从小尺寸到大尺寸体系的原则，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，建立高压相之间的联系，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，利用我们自己独特的研究思路，深入认识凝聚态物质在超高压下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，探索超高压下物质结构与性质演化过程以及特殊高压相的截获方法，从而实现项目的预期目标。

技术途径

技术途径包括实验途径和理论途径两个部分，概括为下面框图。

实验途径：

首先利用压机（金刚石对顶砧、大压机）产生高压，再利用多种原位微区精密的测量手段研究高压下物质的结构与性质，探索合成新材料的机理。

具体地，利用高压原位x光衍射实验，研究高压下凝聚态物质的结构；

利用金刚石对顶砧集成测量电路，研究超高压下物质的电学性质；

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，探索新的触媒，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。

理论途径：

首先建立研究体系，利用蒙特卡罗、分子动力学、从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；

再利用第一原理，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。

通过实验研究与理论研究的结合，发现新的现象，总结新规律，发展新理论，实现五年预期的目标。

2）创新点与特色

（1）研究体系的构建：

从单组元到多组元，从常规体系到强关联体系，从小尺寸到大尺寸体系，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：

实验技术上有创新。

利用我们自己发展的、拥有自主知识产权的、国际领先的高压实验方法与技术，进行多种高压下原位、微区、精密的物质结构和性质的测量。

例如，我们拥有百万大气压下原位电学测量技术，这是目前他人无法做到的；

我们还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，使得我们能够在更宽广的压力和温度范围内，原位研究物质微观结构的变化；

我们还发展了X光单晶、多晶衍射实验系统，发展了超晶胞Rietveld方法，具备了精确确定高压下复杂体系原子位置的能力。

目前项目组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。

（3）研究思路：

我们将采用与他人不同的研究思路进行研究。

（4）科学问题：

将科学问题定位在电子状态、原子间键合方式及其动力学过程等深层次上，揭示压力效应的物理本质，获得普遍规律。

取得重大突破的可行性分析：

（1）在高压条件下直接进行物质结构变化过程以及物理性质的研究，强烈地依赖于高压技术。

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和一个国家正负电子对撞中心同步辐射高压站，拥有先进和完备的高压实验条件，还自己发展了国际领先的实验方法与技术，如百万大气压下的电学测量技术、激光加热高温高压Raman光谱与X光衍射的原位测量方法等高压实验技术，这些条件，为本项目的完成提供了可靠的技术保障。

同时，由于我们有自己领先的实验技术，大大提高了做出国际领先、原创性成果的可能性。

（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3d族强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。

（3）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，是一个刚刚开始的崭新领域，容易产生原创性的科研成果，可能形成重大突破。

（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，已经被证实是产生新物质的有效途径。

轻元素硼-碳、硼-碳-氮化合物是国际上研究的热点，我们已经利用高压方法在此领域成功地制备出一些全新的高压相化合物。

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，寻找出更多的高压新相材料。

（5）承担单位有长期的合作基础，曾完成了多项科研任务，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、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。

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。

3）课题设置

根据本项目的总体思路和预期目标，以研究体系分类，侧重不同的研究内容，设置五个研究课题，包括：

（1）超高压下的典型分子固体；

（2）超高压下的新型3d族强关联体系；

（3）超高压下的准一维纳米体系；

（4）超高压下的II－VI族化合物；

（5）超高压下的硼-碳-氮化合物。

1、超高压下的典型分子固体

主要研究内容：

利用原位、微区、精密的物质结构和性质的高压实验技术和第一原理密度泛函等理论，研究Cl2、O2等典型双原子分子体系，压力引发的结构相变、分子解离并进一步导致金属化单原子晶体出现的过程。

总结晶体结构、电子状态以及力学、电学及光学性质随压力的变化规律。

研究冰，SnH4，GeH4等含氢多原子分子的压致解离机制，以及氢的子体系的微观状态随压力的变化，探索氢状态的变化可能带来的新奇宏观性质，如量子流体、超离子状态等。

弄清这些典型分子固体中压致分子解离机制，为金属氢的研究提供新的物理图象和指导；

针对固态氢体系，研究压力以及其它外界条件对晶体结构和氢分子内部氢原子间键合的综合影响。

本课题还对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有重要的意义，为寻找新型能源材料提供理论支持。

预期目标：

揭示超高压下典型分子固体中分子解离的机制，探索可能的产生金属氢的新途径

承担单位：

吉林大学，中国科学院地球化学研究所

课题负责人：

崔田

经费比例：

30％（其中含10％项目集中管理费）

2、超高压下的新型3d族强关联体系

利用高压条件，在拓宽的压力-温度-组分范围，进行3d族（Cu基、Fe基、Mn基等）过渡金属体系的Mott有序化磁电新材料的高压合成研究。

结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、超导等物理性质，总结高压下结构变化规律和高压对材料稳定性的影响，建立高压下3d族新型过渡金属强关联体系结构、化学组成、物理特性的全新临界关系。

针对Mott有序化的热点问题，如电荷、自旋、轨道有序化及其耦合，研究压力调制的电子关联和多体效应，同时从理论上预测与解释相应的高压行为，寻找电子结构参数与压力的关系，揭示这类材料磁有序、轨道有序、电荷有序的物理机制，深入认识高压下强关联体系中d电子的行为以及微观相互作用规律，探讨在超高压状态Mott有序化体可能存在的新的量子临界现象。

获得不同压力-温度-组分空间中，新型3d族强关联体系的结构特征，揭示体系磁有序、轨道有序、电荷有序的基本规律。

中国科学院物理研究所，中国科学院高能物理研究所

李庆安

17％

3、超高压下的准一维纳米体系

利用高压水热合成、高温等离子体等方法，合成出碳纳米管、富勒烯、聚合物及其复合纳米线等准一维纳米材料。

采用原位高压实验技术，系统研究上述准一维纳米体系在高压下的结构变化，确定高压聚合新相的结构和稳定条件以及高压相变的规律；

探索相应的力学、电学和光学等物理性质，建立聚合结构和奇特物理性质的联系。

开展单根/单束纳米体系的高压研究，研究纳米结构单元之间的相互作用，深入认识准一维纳米复合体系的压致相变规律，弄清结构间转化的物理机制和新聚合相的物理性质。

本课题研究将深入认识小尺寸体系的结构变化、原子间键合以及力学、电学等物理性质随压力的变化规律，为创造新型纳米材料提供科学依据和理论指导。

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，总结在纳米尺度、空间受限条件下压致分子聚合规律

吉林大学，清华大学

刘冰冰

18％

4、超高压下的II－VI族化合物

利用基于高压集成技术的原位电导率定量测量和阻抗谱、霍耳效应实验技术，以II－VI族化合物为对象，原位测量电导率、载流子浓度、迁移率等反映电输运过程的物理量，研究电导率随压力、温度的变化关系，确定载流子浓度、迁移率随压力的变化规律。

研究金属化相变过程中的结构和能带变化，确定金属化相变点及其随温度压力变化的规律，给出临界原子间距，揭示非金属－金属相变的物理机制，获得高压下电子由局域化向非局域化转变的基本规律。

研究交变电场中阻抗谱随压力的变化规律，确定介电常数对频率、压力、温度的依赖关系；

研究磁场中电导率、磁电阻、载流子浓度与磁场强度和压力的关系以及它们之间的相互关系，观察正常、反常磁阻随压力的变化特征，探索压致关联效应的物理机制。

揭示高压下II－VI族化合物的电输运特性的物理机制，诠释高压下电子驰豫、平均自由程、有效质量的新内涵，检验与发展已有的电输运模型。

吉林大学，燕山大学

高春晓

5、超高压下的硼-碳-氮化合物

针对二元硼-碳、碳-氮系统和三元硼-碳-氮系统，通过第一性原理计算进行材料设计，确定在一定外界压力、温度条件下的稳定组份及相应的晶体结构，在一定的范围内建立该体系的多维相图，预测相应高压相的能带结构、态密度和力学、电学、光学物理性质。

建立某些宏观物理性质与第一性原理可计算参数间的关系，为寻找具有其它功能性质的新型超硬高压相材料提供理论依据。

在实验上，研究高温高压条件下硼-碳、碳-氮和硼-碳-氮系高压相的形成规律和触媒的作用，揭示其生长机制，力争在这些高压相中发现新的物理现象和功能性质组合，阐明产生新现象的物理机制。

利用超高压手段和原位测试技术，获得这些新型功能晶体的状态方程和相变规律，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。

探索截获特殊高压相的新方法，完成3-5种有代表性的新型硼-碳、碳-氮和硼-碳-氮超硬多功能晶体的高压合成。

燕山大学

田永君

课题间的联系

从单组元（课题1、3、5）到多组元（课题1到5），从常规体系（课题1、3、4、5）到强关联体系（课题2），从小尺寸（课题3）到大尺寸体系（课题1、2、4、5）多层次、多角度选择多种凝聚态物质，形成现象丰富研究体系。

全面而深入地认识常规体系的高压行为，以及电子强关联和小尺寸带来的新现象。

课题间的联系可以由下面的框图很好地说明。

课题1、4、5针对常规体系的高压行为进行研究，这些课题间成果的交流与互补，易于认识高压下的基本规律，构建新的理论模型，建立新的方法。

将他们的基本的数据与规律提供给课题2和课题3，有利于从众多复杂效应中，揭示出电子之间的强关联的压力效应（课题2）以及小尺寸与压力的协同效应（课题3）。

而高压下强关联和小尺寸的规律，又可以反馈于常规体系的研究，对于发现压力下的新奇反常行为有益。

同时各个课题之间还会有高压实验技术、理论方法方面的相互支撑。

四、年度计划

研究内容

预期目标

第

一

年

1、研究超高压下I2、H2O固体的结构演化规律、分子解离的过程与机制，同时探索压力和其它外界条件的综合效应对I2、H2O固体的结构、原子间键合以及电学等性质的影响。

2、进行AMO3化合物（A为碱土金属、M为过渡金属）3d族（Cu基,Fe基Mn基等）等过渡金属的新型Mott有序化合物的高压合成。

研究这些物质在不同压力-温度-组分空间的构成、结构特征、结构与性能的关系，以及这些化合物在高压