項(xiàng)目名稱： 超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì) 首席科學(xué)家： 崔田 吉林大學(xué) 起止年限： 托部門(mén)： 教育部 二、預(yù)期目標(biāo) 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)： 在超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)前沿領(lǐng)域做出重要原創(chuàng)性的工作，獲得一批國(guó)際水平的研究成果，形成我國(guó)有特色的高壓科學(xué)研究體系，造就一支具有創(chuàng)新思維的中青年高壓研究隊(duì)伍，使中國(guó)高壓研究的總體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，進(jìn)一步提升在國(guó)際高壓界地位。 五年預(yù)期目標(biāo) : 為完成總體目標(biāo)，集中進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作： 1）超 高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能， 2）超高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為， 3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化， 4）超高壓下的化合物半導(dǎo)體的電輸運(yùn)與新效應(yīng)，5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的微結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控。 揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化；獲得不同壓力 組分空間中，新型含 3d、 4d、5d 關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源；總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律；揭示高壓下準(zhǔn) 一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律 ； 揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律 ； 在新型材料的超高壓合成方面，由唯象研究上升到注重內(nèi)在物理本質(zhì)的探索，獲取截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。 合成出3d、 4d、 5d 族 3 種以上 序化和 磁電新材料、 3有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料。 預(yù)期的科學(xué)研究成果： 擬在 錄的國(guó)內(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文 300 篇以上，撰寫(xiě) 1 3 部專著，申報(bào)高水平的獎(jiǎng)勵(lì) 3 5 項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利 15。同時(shí)培養(yǎng)高壓領(lǐng)域的拔尖人才以及學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)博士研究生 50 名、碩士研究生 200 名。 三、研究方案 1）學(xué)術(shù)思路： 在前期 973 項(xiàng)目建立的 多項(xiàng)高壓技術(shù)的 基礎(chǔ)上，突出創(chuàng)新，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新物質(zhì)，創(chuàng)建新理論，形成有特色的高壓科學(xué)研究體系。將若干個(gè)有重大科學(xué)意義的國(guó)際高壓科學(xué)前沿基礎(chǔ)問(wèn)題作為重點(diǎn)，通過(guò)跨領(lǐng)域的緊密合作， 在某課題上再利用動(dòng)高壓對(duì)靜高壓的補(bǔ)充作用， 集成優(yōu)勢(shì)攻關(guān)。從構(gòu)建研究體系入手，本著從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、從小尺 寸到體材料的原則，選擇具有代表性、倍受關(guān)注的物質(zhì)體系作為研究對(duì)象，確定高壓相結(jié)構(gòu)，獲得超高壓下的相變過(guò)程與規(guī)律。利用超高壓下原位測(cè)量實(shí)驗(yàn)和高壓理論，深入認(rèn)識(shí)超高壓下典型凝聚態(tài)物質(zhì)新的原子空間分布和新的電子狀態(tài)以及微觀相互作用規(guī)律，揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的高壓調(diào)制、演化過(guò)程以及截獲特殊的高壓相。 2）技術(shù)途徑： 實(shí)驗(yàn)途徑： 利用高壓原位 x 光衍射實(shí)驗(yàn)，研究高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；利用金剛石對(duì)頂砧 集成測(cè)量電路，研究超高壓下的原位電導(dǎo)率、阻抗譜和霍爾效應(yīng)等電輸運(yùn)性質(zhì)；利用原位高壓光譜學(xué)方法研究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，聲子狀態(tài)以 及光學(xué)性質(zhì)等；利用高壓 、 X 光非彈性散射方法，研究原子電子狀態(tài)的變化；采用大體積高壓設(shè)備如六面頂壓機(jī)和二級(jí)推進(jìn)壓機(jī)，開(kāi)展系統(tǒng)的高溫高壓合成實(shí)驗(yàn)研究，合成出理論上設(shè)計(jì)出的新型高壓相材料。利用沖擊波動(dòng)高壓原位結(jié)構(gòu)與性能的探測(cè)， 對(duì)靜高壓研究進(jìn)行補(bǔ)充， 實(shí)現(xiàn)熱力學(xué)多路徑高原位研究。 通過(guò)對(duì)多實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的綜合協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)同一環(huán)境下的多物理量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的物理參數(shù)表征，構(gòu)建物理量之間的客觀聯(lián)系。 理論途徑： 利用蒙特卡羅、分子動(dòng)力學(xué)、從頭算分子動(dòng)力學(xué)等方法研究超高壓力下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)相變及其動(dòng)力學(xué)過(guò) 程；利用第一原理的密度泛函理論，研究高壓相的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電子狀態(tài)的變化，以及光學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)等性質(zhì)等。 3） 創(chuàng)新點(diǎn)與特色： （ 1） 研究體系的構(gòu)建： 從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，從小尺寸到體材料，選擇具有代表性的、倍受關(guān)注的凝聚態(tài)物質(zhì)作為研究對(duì)象，研究體系物理現(xiàn)象豐富。 （ 2） 研究方法和技術(shù)： 利用我國(guó)自己發(fā)展的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、國(guó)際領(lǐng)先的高壓實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)和表征手段，進(jìn)行多種高壓下原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的測(cè)量。 項(xiàng)目組率先建立了世界上第一臺(tái)激光加熱原位高溫高壓 內(nèi)唯一的 激光加熱原位高溫高壓同步輻射與常規(guī) X 光衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及高壓布里淵散射等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，擁有能夠同時(shí)進(jìn)行高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)和彈性、電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)研究的、世界上先進(jìn)的集成原位超高壓技術(shù)。特別是在前期 973 項(xiàng)目的支持下建立并完善了具有國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平高壓原位電學(xué)及磁學(xué)測(cè)量技術(shù)，建立 的 可開(kāi)展超高壓高溫合成的六八型二級(jí)推進(jìn)高壓高溫合成裝置，大大提升用于高壓高溫合成新材料的壓力上限和創(chuàng)造新材料的可能。 我們邀請(qǐng)到我國(guó)動(dòng)高壓專家加盟 本項(xiàng)目 ，研究方法和技術(shù)得到了進(jìn)一步的擴(kuò)充與發(fā)展。利用沖擊波產(chǎn)生動(dòng)高壓，選擇熱力學(xué)可控的新的研究 路徑進(jìn)行高溫高壓研究，為取得重大突破提供了新的途徑。 （ 3） 研究思路： 利用壓力對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特有的調(diào)控作用，深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài)、物理性質(zhì)及其本質(zhì)聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)高壓下的新現(xiàn)象和新規(guī)律。找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的高壓相，為合成新物質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。 在金屬氫 等重大科學(xué)問(wèn)題的 研究方面有獨(dú)特的思路，將利用：靜高壓與其它極端條件結(jié)合、通過(guò)動(dòng)高壓嘗試熱力學(xué)可控的新的研究路徑、利用納米限域與高壓的綜合效應(yīng)， 探索 新的研究之路。 （ 4） 科學(xué)問(wèn)題： 研究?jī)?nèi)容是當(dāng)前高壓領(lǐng)域的熱點(diǎn)和基礎(chǔ)前沿問(wèn)題。在 電子狀態(tài)、原子 間鍵合方式 及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程等深層次上開(kāi)展物質(zhì)壓力效應(yīng)的系統(tǒng)研究， 能夠揭示壓力效應(yīng)的物理本質(zhì)。 4） 取得重大突破的可行性分析： （ 1） 高壓下物理量的原位測(cè)量，是高壓科學(xué)賴以生存和發(fā)展的基石。高壓科學(xué)研究水平的高低，強(qiáng)烈依賴于高壓下原位物理量測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度。微型金剛石對(duì)頂砧實(shí)驗(yàn)技術(shù)的突破，使得在實(shí)驗(yàn)室中可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓以上的靜態(tài)壓力的同時(shí)，能在高壓條件下直接原位測(cè)量物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。參加研究的單位包括二個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、一個(gè)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)國(guó)家正負(fù)電子對(duì)撞中心同步輻射高壓站，擁有國(guó)際先進(jìn)和完備的高壓實(shí) 驗(yàn)條件，還自主發(fā)展了國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，如激光加熱高溫高壓拉曼光譜與 X 光衍射的原位測(cè)量方法、超高壓下的瞬態(tài)測(cè)量和高靈敏高選擇性測(cè)量技術(shù)、新一代集成高壓技術(shù)，新六八型二級(jí)推進(jìn)型超高壓高溫合成裝置，這些實(shí)驗(yàn)條件，有的已經(jīng)成功應(yīng)用到前期 973項(xiàng)目中，有的是在前期 973 項(xiàng)目中得以完善和發(fā)展的，為本項(xiàng)目的完成提供了可靠的技術(shù)保障。同時(shí)，也大大提高了做出國(guó)際領(lǐng)先、原創(chuàng)性成果的可能性。 （ 1） 選擇的研究體系是凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)中倍受關(guān)注的對(duì)象，展現(xiàn)出的物理現(xiàn)象十分豐富，存在許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，極有希望取得突破性進(jìn)展。如對(duì)產(chǎn) 生金屬氫新機(jī)制的探索、新型關(guān)聯(lián)體系的超高壓研究等，為獲得有影響的重要?jiǎng)?chuàng)新成果，提供了新的途徑；納米材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，超高壓條件的介入，為創(chuàng)新成果的出現(xiàn)增加了新的機(jī)會(huì)。 （ 2） 在超高壓條件下揭示物質(zhì)宏觀性質(zhì)與微觀電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是一個(gè)非?；钴S的新領(lǐng)域，容易產(chǎn)生原創(chuàng)性的科研成果，可能形成重大突破。前期 973 項(xiàng)目的研究中，已經(jīng)取得這方面的主要成果，例如我們發(fā)現(xiàn)金屬鈉在高壓的作用下改變成了新的結(jié)構(gòu)，從而變成了透明的絕緣體，發(fā)表在 志上。 （ 3） 通過(guò)研究凝聚態(tài)物質(zhì)的相變規(guī)律，找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的 高壓相，再截獲高壓相，制備出新材料，是產(chǎn)生新物質(zhì)的有效途徑。在前期的 973 項(xiàng)目支持下，我們已經(jīng)利用高壓方法成功地制備出一些全新的高壓相化合物，包括新型關(guān)聯(lián)體系、新型超硬多功能材料等。在這個(gè)他人涉足不多的新領(lǐng)域，用自己研發(fā)的新的方法與技術(shù)，可以尋找出更多的高壓新相材料。 （ 4） 承擔(dān)單位有長(zhǎng)期的合作基礎(chǔ)，曾完成了多項(xiàng)科研任務(wù)，包括前期 973 項(xiàng)目，取得了一批重要研究成果。有一支以年輕人為主、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理富有科技創(chuàng)新能力的研究隊(duì)伍，具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，能掌握超高壓凝聚態(tài)物質(zhì)研究領(lǐng)域的趨勢(shì)和前沿，發(fā)展了有自己特色的實(shí) 驗(yàn)方法與技術(shù)，并且與國(guó)際高壓界有良好的學(xué)術(shù)交流和緊密合作。本項(xiàng)目研究涉及到高壓物理、材料科學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科，不同學(xué)科的交叉融和，多種實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)， 能夠針對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行多方位的協(xié)同研究，有利于獲得原創(chuàng)性的科研成果。 5）項(xiàng)目組織形式 采用 973 項(xiàng)目管理的成功經(jīng)驗(yàn)，由首席科學(xué)家負(fù)責(zé)，集中管理，分工實(shí)施，組織跨學(xué)科、跨單位的聯(lián)合攻關(guān)。 6） 可行性分析 （ 1） 高壓下物理量的原位測(cè)量，是高壓科學(xué)賴以生存和發(fā)展的基石。高壓科學(xué)研究水平的高低，強(qiáng)烈依賴于高壓下原位物理量測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)程度。微型金剛石對(duì)頂砧實(shí) 驗(yàn)技術(shù)的突破，使得在實(shí)驗(yàn)室中可產(chǎn)生百萬(wàn)大氣壓以上的靜態(tài)壓力的同時(shí)，能在高壓條件下直接原位測(cè)量物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。參加研究的單位包括二個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、一個(gè)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和一個(gè)國(guó)家正負(fù)電子對(duì)撞中心同步輻射高壓站，擁有國(guó)際先進(jìn)和完備的高壓實(shí)驗(yàn)條件，還自主發(fā)展了國(guó)際領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，如激光加熱高溫高壓 譜與 X 光衍射的原位測(cè)量方法、超高壓下的瞬態(tài)測(cè)量和高靈敏高選擇性測(cè)量技術(shù)、新一代集成高壓技術(shù)，新六八型二級(jí)推進(jìn)型超高壓高溫合成裝置，這些實(shí)驗(yàn)條件，有的已經(jīng)成功應(yīng)用到前期973 項(xiàng)目中，有的是在前期 973 項(xiàng)目中 創(chuàng)建、 完善和發(fā)展的，為本項(xiàng)目的完成提供了可靠的技術(shù)保障。同時(shí)，也大大提高了做出國(guó)際領(lǐng)先、原創(chuàng)性成果的可能性。 （ 2） 選擇的研究體系是凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)中倍受關(guān)注的對(duì)象，展現(xiàn)出的物理現(xiàn)象十分豐富，存在許多機(jī)遇與挑戰(zhàn)，極有希望取得突破性進(jìn)展。如對(duì)產(chǎn)生金屬氫新機(jī)制的探索、新型關(guān)聯(lián)體系的超高壓研究等，為獲得有影響的重要?jiǎng)?chuàng)新成果，提供了新的途徑；納米材料是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，超高壓條件的介入，為創(chuàng)新成果的出現(xiàn)增加了新的機(jī)會(huì)。 需要強(qiáng)調(diào)的是項(xiàng)目的研究是我們前期 973 項(xiàng)目的繼承和發(fā)展，多個(gè)課題都是在前期取得的成果和建立的基 礎(chǔ)之上展開(kāi)的，所選擇的研究對(duì)象關(guān)聯(lián)性很大，在完善的研究平臺(tái)的支撐之下，完全有能力在更為寬廣的壓力溫度區(qū)域和組分尺度范圍開(kāi)展和 完成 各個(gè)課題的 任務(wù) ，取得重大突破。 （ 3） 在超高壓條件下揭示物質(zhì)宏觀性質(zhì)與微觀電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，是一個(gè)非?；钴S的新領(lǐng)域，容易產(chǎn)生原創(chuàng)性的科研成果，可能形成重大突破。前期 973 項(xiàng)目的研究中，已經(jīng)取得 了多項(xiàng)重要 成果，例如我們發(fā)現(xiàn)金屬鈉在高壓的作用下改變成了新的結(jié)構(gòu)，從而變成了透明的絕緣體，發(fā)表在 志上。 （ 4） 通過(guò)研究凝聚態(tài)物質(zhì)的相變規(guī)律，找到常規(guī)條件無(wú)法發(fā)現(xiàn)的新的高壓相，再截獲 高壓相，制備出新材料，是產(chǎn)生新物質(zhì)的有效途徑。在前期的 973 項(xiàng)目支持下，我們已經(jīng)利用高壓方法成功地制備出一些全新的高壓相化合物，包括新型關(guān)聯(lián)體系、新型超硬多功能材料等。在這個(gè)他人涉足不多的新領(lǐng)域，用自己開(kāi)辟的已經(jīng)成功的新方法，可以尋找出更多的高壓新相材料。 （ 5） 承擔(dān)單位有長(zhǎng)期的合作基礎(chǔ)，曾完成了多項(xiàng)科研任務(wù)，包括前期 973 項(xiàng)目，取得了一批重要研究成果。有一支以年輕人為主、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理富有科技創(chuàng)新能力的研究隊(duì)伍，具有豐富的研究經(jīng)驗(yàn)，能掌握超高壓凝聚態(tài)物質(zhì)研究領(lǐng)域的趨勢(shì)和前沿，發(fā)展了有自己特色的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù) ，并且與國(guó)際高壓界有良好的學(xué)術(shù)交流和緊密合作。本課題研究涉及到高壓物理、材料科學(xué)、 力學(xué)、 化學(xué)等多學(xué)科，不同學(xué)科的交叉融和，多種實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)， 能夠針對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行多方位的協(xié)同研究，有利于獲得原創(chuàng)性的科研成果。 7）課題設(shè)置 根據(jù)本項(xiàng)目的總體思路和預(yù)期目標(biāo)，側(cè)重不同的研究體系和研究?jī)?nèi)容，充分利用前期奠定的基礎(chǔ) ,特別是在高壓技術(shù)和方法方面，本著集中攻關(guān)和適當(dāng)延展的原則，加強(qiáng)協(xié)作及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共享，設(shè)置了五個(gè)研究課題，包括：（ 1）超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì)；（ 2）超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系；（ 3）超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)；（ 4）超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性；（ 5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控。 課題 1、超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì) 預(yù)期目標(biāo)： 揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能的產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化。深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的電子狀態(tài)、原子價(jià)態(tài)、原子間鍵合以及力學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律，為創(chuàng)造新型能源、功能材料，以及對(duì)新材料合成中的基本問(wèn)題的理解提供理論支持。 研究?jī)?nèi)容： 利用原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的 靜高壓實(shí)驗(yàn)、沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)和第一原理密度泛函等理論研究相結(jié)合，以單核共價(jià)氫化物（如 及雙核及多核的氫化物（如 研究對(duì)象。探索在存在其它元素化學(xué)預(yù)壓的情況下，這些富氫體系結(jié)構(gòu)隨外界壓力的變化，以及金屬化出現(xiàn)的條件及其性質(zhì)的變化，探索氫的子體系的微觀狀態(tài)隨壓力的變化可能帶來(lái)的新奇宏觀性質(zhì)，如高溫超導(dǎo)特性等，為金屬氫的研究提供新的物理圖象和指導(dǎo)。研究壓力對(duì)純氫體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響，同時(shí)研究壓力以及其它外界條件對(duì)氫分 子內(nèi)部氫原子間鍵合的綜合影響，探索產(chǎn)生金屬氫的新途徑，從而實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。 承擔(dān)單位： 吉林大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院 課題負(fù)責(zé)人： 崔田 學(xué)術(shù)骨干： 何志、蔡靈倉(cāng)、馬琰銘、經(jīng)福謙、鄒廣田 課題 2、超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系 預(yù)期目標(biāo)： 制備 3 種以上 3d、 4d、 5d 族 序化和 磁電新材料，獲得不同壓力 組分空間中，新型含 3d、 4d、 5d 關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源。 研究?jī)?nèi)容： 利用高壓條件，在拓寬的壓力 組分空間，進(jìn)行 3d、 4d、 5d 關(guān)聯(lián)體系序化和 磁電新材料的高壓合成研究。結(jié)合多種極端條件綜合測(cè)試平臺(tái)，高壓原位研究其異?；瘜W(xué)價(jià)態(tài)、結(jié)構(gòu)和磁性、電性、介電等物理性質(zhì)及其相互作用和轉(zhuǎn)化，總結(jié)高壓下結(jié)構(gòu)變化規(guī)律以及高壓對(duì)材料穩(wěn)定性的影響，建立高壓下新型關(guān)聯(lián)體系結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、物理特性所產(chǎn)生的全新臨界關(guān)系。針對(duì)序化和 游磁體的熱點(diǎn)問(wèn)題，如多種有序及其相互作用和轉(zhuǎn)化、配位體對(duì)電子結(jié)構(gòu)的精細(xì)作用、 d 電子的局域和擴(kuò)展，研究超高壓電子關(guān)聯(lián)和多體效應(yīng)，同時(shí)從理論上預(yù)測(cè)與解釋這些體系的高壓行為，尋找 電子結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓力的關(guān)系，深入認(rèn)識(shí)高壓下含有 3d、 4d、 5d 的展寬關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為以及微觀相互作用規(guī)律。 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 課題負(fù)責(zé)人： 董成 學(xué)術(shù)骨干： 陳良辰、李曉東、楊立紅、馮少敏、靳常青 課題 3、超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì) 預(yù)期目標(biāo)： 總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律；揭示高壓下準(zhǔn)一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律，為高壓下金屬氫的產(chǎn)生提供新的圖像。 研究?jī)?nèi)容： 采用高壓原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)研究限域于碳 /米管、分子篩道等納米體系內(nèi) 典型雙原子分子體系、 含氫分子體系的高壓結(jié)構(gòu)變化，探索其相變的物理機(jī)制；尋找這些體系在準(zhǔn)一維限域下發(fā)生金屬化的條件，探索其金屬化物理機(jī)制；研究它們?cè)跍?zhǔn)一維限域下向原子相的轉(zhuǎn)變的規(guī)律，揭示小分子體系在高壓下由分子相到原子相的分子解離機(jī)制，弄清高壓下金屬相的形成過(guò)程，力爭(zhēng)獲得限域于納米管內(nèi)固態(tài)小分子體系全新的壓致結(jié)構(gòu)相變規(guī)律 全然不同于體材料的新規(guī)律。針對(duì)三聚氰胺、胍等超分子體系，重點(diǎn)研究高壓原位結(jié)構(gòu)變化，高壓下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的變化，獲得分子間弱相互作用力與分子內(nèi) 強(qiáng)相互作用之間的相互變化規(guī)律。 該研究不僅有助于加深對(duì)納米限域體系獨(dú)特的結(jié)構(gòu)變化、原子分子間鍵合以及光學(xué)、電學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也將為獲得全新的納米級(jí)新材料提供新途徑。 承擔(dān)單位： 吉林大學(xué) 、 清華大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 劉冰冰 學(xué)術(shù)骨干： 崔 啟 良、姚明光、王霖、鄒勃、王治 強(qiáng) 課題 4、超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性 預(yù)期目標(biāo)： 揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律。 研究?jī)?nèi)容： 在已有的 高壓下多物理量分別測(cè)量的基礎(chǔ)上，突破多物理量聯(lián)合測(cè)量的技術(shù)難題，將電導(dǎo)率、介電常數(shù)、磁阻率、霍爾系數(shù)、載流子濃度、遷移率等描述物質(zhì)電輸運(yùn)性質(zhì)的物理量測(cè)量集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)多物理量的聯(lián)合測(cè)量，在同等溫度壓力條件下對(duì)樣品的多物理量進(jìn)行全方位表征，使所測(cè)量的物理量能夠準(zhǔn)確反映物質(zhì)的性質(zhì)，進(jìn)而建立高壓下各物理量之間的關(guān)聯(lián)和制約關(guān)系。課題將以典型的化合物半導(dǎo)體為對(duì)象，進(jìn)行高壓下結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)和理論研究。從高壓下的結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、磁阻率、介電常數(shù)、霍爾效應(yīng)表征入手，研究壓力作用下載流子的形成、類型、遷移率、濃度、有效 質(zhì)量等物理性質(zhì)隨壓力的變化關(guān)系和各物理參數(shù)之間的聯(lián)系，獲得壓力作用下從半導(dǎo)體到半金屬直至金屬化狀態(tài)時(shí)載流子行為的演化規(guī)律和變化特征，建立帶電粒子間相互作用與電輸運(yùn)性質(zhì)轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系，比較 電子間的相互作用隨壓力變化的差異和不同殼層價(jià)電子間相互作用隨壓力的變化規(guī)律。 承擔(dān)單位： 吉林大學(xué)、燕山大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 高春曉 學(xué)術(shù)骨干： 彭剛、韓永昊、劉洪武、王欣、張湘義 課題 5、超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控 預(yù)期目標(biāo)： 研制 3有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料，獲得這些新型功能晶體的狀態(tài)方程和相變規(guī)律，積累這些晶體的晶體學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 研究?jī)?nèi)容： 探索截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。針對(duì)過(guò)渡金屬硼化物、碳化物、氧化物及 元素體系，通過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的相互印證，認(rèn)識(shí)超高壓導(dǎo)致物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的物理本質(zhì)；確定核外電子價(jià)鍵狀態(tài)及原子排列方式在超高壓下失穩(wěn)的物理判據(jù)與邊界條件；預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)和合成在超高壓下可出現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì)及晶體 /非晶體結(jié)構(gòu)；探索超高壓條件下材料內(nèi)部原子 /原子基團(tuán)擴(kuò)散、晶體成核和生長(zhǎng)規(guī)律，由此調(diào)制材料的微結(jié)構(gòu)與相組 成。在高壓下制備出 3新型過(guò)渡金屬硼化物、碳化物、氧化物及 元素體系化合物亞穩(wěn)相與相應(yīng)的高性能納米結(jié)構(gòu)復(fù)合塊體材料。利用超高壓手段和原位測(cè)試技術(shù)，測(cè)量這些新型功能晶體的狀態(tài)方程并研究壓制相變規(guī)律。 承擔(dān)單位： 燕山大學(xué) 、 四川大學(xué) 課題負(fù)責(zé)人： 田永君 學(xué)術(shù)骨干： 何巨龍、于棟利、賀端威、于鳳榮、彭放 課題間關(guān)系 根據(jù)本項(xiàng)目的總體思路和預(yù)期目標(biāo)，側(cè)重不同的研究體系和研究?jī)?nèi)容，充分利用前期奠定的基礎(chǔ) ,特別是在高壓技術(shù)和方法方面，本著集中攻關(guān)和適當(dāng)延展的原則，加強(qiáng)協(xié)作及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的共享，設(shè)置了五個(gè)研究 課題，包括：（ 1）超高壓下純氫以及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì)；（ 2）超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系；（ 3）超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì)；（ 4）超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性；（ 5）超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控。 從常規(guī)體系（課題 1、 3、 4、 5）到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系（課題 2），從小尺寸（課題 3）到大尺寸體系（課題 1、 2、 4、 5），多層次、多角度地選擇了凝聚態(tài)物質(zhì)，形成了豐富的研究體系。全面而深入地認(rèn)識(shí)常規(guī)體系的高壓行為，以及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)和小尺寸帶來(lái)的新現(xiàn)象。課題間的聯(lián)系可以由下面的框圖很好地說(shuō)明。 常規(guī)體系 原子鍵合 電子狀態(tài) 課題 5 ： 超高壓下亞穩(wěn)相的截獲與材料的組織與性能調(diào)控 課題 1 ： 超高壓下純氫以 及富氫體系的金屬化與奇異性質(zhì) 體材料中 原子鍵合、新 結(jié)構(gòu) 規(guī)律 高壓電輸運(yùn)性質(zhì)原位測(cè)量技術(shù) 能帶結(jié)構(gòu)、電子狀態(tài) 電 、 磁場(chǎng)下的 常規(guī)體系 課題 4 ： 超高壓下典型半導(dǎo)體材料的電輸運(yùn)特性 空間限域帶來(lái)的尺寸效應(yīng) 電子關(guān)聯(lián) 非常規(guī)體系 課題 2 ： 超高壓下的新型關(guān)聯(lián)體系 （強(qiáng)關(guān)聯(lián)） 課題 3 ： 超高壓下納米限域體系的新結(jié)構(gòu)與新性質(zhì) （小尺寸） 關(guān)聯(lián) 限域 課題 1、 4、 5 針對(duì)常規(guī)體系的高壓行為進(jìn)行研究，這些課題間成果的交流與互補(bǔ)，易于認(rèn)識(shí)高壓下的基本規(guī)律，構(gòu)建新的理論模型，建立新的方法。將他們的基本的數(shù)據(jù)與規(guī)律提供給課題 2 和課題 3，有利于從眾多復(fù)雜效應(yīng)中，揭示出電子之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)的壓力效應(yīng)（課題 2）以及小尺寸與壓力的協(xié)同效應(yīng)（課題 3）。而高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)和小尺寸的規(guī)律，又可以反饋于常規(guī)體系的研究，對(duì)于發(fā)現(xiàn)壓力下的新奇反常行為有益。同時(shí)各個(gè)課題之間還會(huì)有高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論方法方面的相互支撐。 課題 1、 3、 4 將聯(lián) 合攻關(guān)，力爭(zhēng)在物質(zhì)壓致金屬化的研究方面取得突破。 四、年度計(jì)劃 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 一 年 1、研究靜高壓和動(dòng)高壓下 屬化和分子解離過(guò)程與機(jī)制，弄清金屬化條件；探索壓力和高溫、短波長(zhǎng)脈沖激光等其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)這些固體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合和性質(zhì)的影響； 在給定溫度和超高壓條件下，進(jìn)行純氫體系結(jié)構(gòu)、光譜學(xué)以及電學(xué)性能的超高壓研究。 2、進(jìn)行 合物（ A 為堿土金屬 、 M 為過(guò)渡金屬） 3d 族（ , 等 ） 等過(guò)渡金屬的新型序化和 游特性 化合物 的高壓合成；研究它們?cè)诓煌瑝毫囟冉M分空間的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，以及 在 高壓低溫磁場(chǎng)綜合極端條件下的電性 、磁性和結(jié)構(gòu)。 3、合成出碳 /氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板及其 雙原子分子納米限域復(fù)合體系；合成出含半導(dǎo)體發(fā)光探針?lè)肿拥募{米限域體系。研究高壓、室溫條件下上述體系的晶格振動(dòng)和晶體結(jié)構(gòu)的變化；探索高壓下三聚氰氯等鹵鍵超分子體系1、從理論上弄清 固體的金屬化條件與行為，初步認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)這些固體金屬化過(guò)程以及分子解離過(guò)程的綜合效應(yīng)；從理論上確認(rèn)純氫固體的超高壓結(jié)構(gòu)以及部分結(jié)構(gòu)相變規(guī)律。 2、高壓合成幾種單相的 序化和 游特性化合物；確定這些化合物的基本結(jié)構(gòu)及其和物性關(guān)聯(lián)；揭示這些化合物的 d 殼層價(jià)電 子在多重極端條件下的特殊物理行為、結(jié)構(gòu)演化及相互關(guān)聯(lián)效應(yīng)。 3、揭示納米限域模板體系及其分子限域體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；深入認(rèn)識(shí)壓力下鹵鍵相互作用變化規(guī)律。 4、建立基于金剛石對(duì)頂砧技術(shù)的多物理量原位測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高壓下多物理量的聯(lián)合表征；給出氧化物半導(dǎo)體在壓致相變過(guò)程中各物理量的變化規(guī)律。 5、設(shè)計(jì)出 3 渡族金屬碳化物、氧化物 高壓相 多功能材料，至少合成出 1 種新亞穩(wěn)相材料，完成 充 合物的制備并優(yōu)化其熱電性能。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 的結(jié)構(gòu)相變。 4、構(gòu)建超高壓下原位多物理量聯(lián)合測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；進(jìn)行高壓下典型氧化物半導(dǎo)體電輸運(yùn)性質(zhì)的多物理量聯(lián)合表征。 5、開(kāi) 展亞穩(wěn)化合物高壓相結(jié)構(gòu)、存在條件、相變規(guī)律的理論研究工作，預(yù)測(cè)高壓相化合物的物理性質(zhì)；開(kāi)展亞穩(wěn)化合物的高壓合成，確定晶體結(jié)構(gòu)，測(cè)試材料性能，制備出單元素填充的 合物，測(cè)試熱電性能。 6、發(fā)表 文 40，申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利 3 5 項(xiàng)。 第 二 年 1、開(kāi)展動(dòng)態(tài)和靜態(tài)超高壓下 固體的結(jié)構(gòu)相變、金屬化和分子解離機(jī)制的研究，理論確定金屬化條件； 繼續(xù)開(kāi)展靜態(tài)超高壓下固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)相變的物理機(jī)制的研究并探索動(dòng)態(tài)超高壓的作用；開(kāi)展 壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過(guò)程的影響等方面的原位實(shí)驗(yàn)研究工作。 2、在單層化合物的基礎(chǔ)上開(kāi)展層狀（ ）新型過(guò)渡金屬 序化和 游特性化合物的高壓合成（ A 為堿土金屬、M 為過(guò)渡金屬）；研究層狀 序化和 游特性化合 物在不同壓力溫度組分空間結(jié)構(gòu)特征、形成過(guò)程與控制、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)1、建立高溫高壓區(qū)域 現(xiàn)其中一種材料的壓致金屬化，并揭示金屬化之后的奇異性質(zhì)。從理論上弄清 認(rèn)純氫固體的超高壓結(jié)構(gòu)以及部分結(jié)構(gòu)相變規(guī)律。初步認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)結(jié)構(gòu)相變的綜合效應(yīng)。 2、高壓合成幾種層狀 序化和游特性化合物，確定這些化合物的基本結(jié)構(gòu)、探討 d 殼層電子層間耦合對(duì) 序化和 游特性的作用。揭示高壓對(duì)結(jié)構(gòu)維度可變的 序化和 游體的結(jié)構(gòu)、磁性、電學(xué)特性的基本作用規(guī)律。 3、總結(jié)納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī) 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 系；運(yùn)用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)條件原位測(cè)試這些新化合物的磁電響應(yīng)特性。 3、針對(duì) 碳 /氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板體系及其 雙原子分子納米限域復(fù)合體系 ，開(kāi)展高壓和其它條件下（如高溫、光照）的晶格振動(dòng)、晶體結(jié)構(gòu)的變化、高壓新相的形成和結(jié)構(gòu)演化等研究，及其高壓下的光學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律。初步開(kāi)展 米限域體系的合成工作。探索高壓下甲基磺酸胍等氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)的超分子體系的結(jié)構(gòu)相變。 4、改進(jìn)與優(yōu)化超高壓下原位多物理量 聯(lián)合表征實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的；研究超高壓下氧化物半導(dǎo)體的電導(dǎo)率、載流子濃度、遷移率、活化能之間的聯(lián)系與制約關(guān)系以及超高壓下典型氧化物半導(dǎo)體的金屬化相變和相轉(zhuǎn)變機(jī)理。 5、繼續(xù)開(kāi)展高壓相多功能化合物的理論預(yù)測(cè)研究工作；進(jìn)行過(guò)渡族金屬氧化物高壓相的實(shí)驗(yàn)合成研究；繼續(xù)開(kāi)展 合物的單元素高壓填充研究，同時(shí)開(kāi)展雙元素填充的研究，測(cè)試熱電性能 律，弄清其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的物理機(jī)制；深入認(rèn)識(shí)壓力對(duì)納米限域材料的發(fā)光等物理性質(zhì)的影響以及壓力下氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。 4、完成典型氧化物超高壓下的電輸運(yùn)性質(zhì)的表征，確定電導(dǎo)率、遷移率、載流子濃度、活化能之間的依賴關(guān)系，獲得高壓下氧化物半導(dǎo)體電輸運(yùn)行為的物理規(guī)律。 5、設(shè)計(jì)出 3 渡族金屬碳化物、氧化物 高壓相多功能材料并至少合成出 1 種新的過(guò)渡族金屬氧化物高壓相材料；制備出 大于 高性能 n 型 熱電材料。 6、發(fā)表 文 40 60 篇，申報(bào)專 利 3。 1、開(kāi)展動(dòng)態(tài)和靜態(tài)超高壓下 2固體的結(jié)構(gòu)相變、金屬化和分子解離機(jī)制的研究，確定金屬化條1、在超高壓力范圍，建立 理論上弄清 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 三 年 件。 繼續(xù)開(kāi)展超高壓下固態(tài)氫的結(jié)構(gòu)相變的研究，理論確定氫金屬化的條件和金屬化之后的奇異特性。利用動(dòng)高壓技術(shù)找到某種溫度與壓力條件，實(shí)現(xiàn)金屬化；開(kāi)展 壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過(guò)程的影響的原位研究。 2、高壓高溫合成和研究異價(jià)元素替代對(duì) 化合物的結(jié)構(gòu)和基本物理性質(zhì)的作用規(guī)律；原位研究高壓對(duì)摻雜型 化合物的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和自旋有序變化的調(diào)控機(jī)制；運(yùn)用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量摻雜型序化和 游特性化合物對(duì)綜合極端條件的物理響應(yīng)。 3、合成碳 /氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板體系及其 雙原子分子納米限域復(fù)合體系；繼續(xù)合成出含半導(dǎo)體發(fā)光探針?lè)肿拥募{米限域體系；在室溫下研究高壓下上述納米限域復(fù)合納米體系的晶格振動(dòng)和晶體結(jié)構(gòu)的變化。探索高壓下典型氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)的超分子體系的結(jié)構(gòu)相變。 4、進(jìn)行超高壓下典型 半導(dǎo)體電輸運(yùn)性質(zhì)的多物理量聯(lián)合表征；固體的金屬化機(jī)制，弄清金屬化條件；總結(jié)壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)單核富 氫化合物的金屬化和分子解離的作用規(guī)律；從理論上確定純氫體系的金屬化條件。深入認(rèn)識(shí)壓力和其它外界條件對(duì)純氫體系結(jié)構(gòu)相變的綜合效應(yīng)。 2、通過(guò)對(duì)磁電、多重鐵性、超導(dǎo)等結(jié)構(gòu)及性能的研究，確立混合價(jià)態(tài)對(duì)序化和 游特性演化的影響機(jī)制；揭示壓力作用下 d 殼層價(jià)電子軌道雜化對(duì) 序化和游型化合物微結(jié)構(gòu)、物性的作用規(guī)律；探索摻雜型 序化和 游特性在高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)多重極端條件的新量子現(xiàn)象。 3、合成出部分復(fù)合納米限域體系；探索復(fù)合納米限域體系壓致結(jié)構(gòu)相變歷程；揭示納米 受限條件下體系的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律；揭示壓力下氫鍵和靜電相互作用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。 4、完成系列 化合物半導(dǎo)體高壓下電輸運(yùn)性質(zhì)變化規(guī)律的多物理量表征，確定壓致金屬化相變規(guī)律以及金屬化行為與價(jià)電子組態(tài)的關(guān)聯(lián)規(guī)律。 5、設(shè)計(jì)出 2 渡族金屬硼化物、氧化物 高壓相多功能材 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 研究系 列 化合物半導(dǎo)體的壓致金屬化規(guī)律和相變機(jī)制；探索不同價(jià)電子組態(tài)下的壓致電輸運(yùn)行為變化的特點(diǎn)、金屬化相變與價(jià)電子組態(tài)的關(guān)系。 5、繼續(xù)開(kāi)展高壓相化合物的理論預(yù)測(cè)研究工作；開(kāi)展多種高壓相化合物的實(shí)驗(yàn)合成方面的探索；開(kāi)展高壓下不同載流子類型的填充型 合物的探索；測(cè)定各高壓相的結(jié)構(gòu)和力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)。 料，至少合成出 1 種新的高壓相多功能材料，獲得高性能 p 型 熱電材料。 6、發(fā)表 文 60， 申報(bào)專利 3 。 第 四 年 1、開(kāi)展動(dòng)、靜超高壓下 繼續(xù)進(jìn)行純氫體系的 超高壓原位實(shí)驗(yàn)研究，注重三百萬(wàn)大氣壓以上的實(shí)驗(yàn)工作，利用動(dòng)高壓加載技術(shù)，弄清更多 純氫體系 的金屬化溫度與壓力條件，初步建立氫金屬化的動(dòng)高壓相轉(zhuǎn)變曲線；開(kāi)展 壓力和其它外界條件的綜合效應(yīng)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)、原子間鍵合以及金屬化過(guò)程的影響等原位實(shí)驗(yàn)研究工作。 2、用等價(jià)元素替代研究結(jié)構(gòu)畸變度對(duì) 序化和 游型化合物的結(jié)構(gòu)和物理本征特性的作用；高壓原位研究結(jié)構(gòu)畸變對(duì)電子和磁結(jié)構(gòu)及其相互耦合的調(diào)制；采用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)等綜合極端條件研究不同畸變度的 序化和 游型1、在超高壓力范圍，建立 2固體的相圖，實(shí)現(xiàn)至少一種材料的壓致金屬化并揭示金屬化之后的奇異性質(zhì)；弄清 固體的金屬化條件； 從理論上確定超高壓下純氫體系金屬化之后晶體結(jié)構(gòu)的變化及其奇異特性 ，揭示壓力和其它外界條件對(duì)純氫體系金屬化相變的綜合效應(yīng)。 2、闡明 d 殼層價(jià)電子間距和鍵角的變化對(duì) 序化和 游特性的影響機(jī)制；建立壓力對(duì) 序體和 游體結(jié)構(gòu)畸變調(diào)制的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律；探明這些 序化和 游型化合物在高壓綜合極端條件結(jié)構(gòu)、性能變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)特殊性能。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 化合物的電磁性能及與結(jié)構(gòu)組成的關(guān) 系。 3、研究高壓和高溫、光照等其它條件下聚合新相的形成和結(jié)構(gòu)演化歷程及其相應(yīng)的物理性質(zhì)；針對(duì)不同的復(fù)合納米體系，在室溫、高壓條件下開(kāi)展電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等物理性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律的研究；開(kāi)展碳 /氮化硼納米管、分子篩等納米限域模板中含 含氫分子復(fù)合限域體系的合成；探索高壓下鄰氨基苯甲酸等有機(jī)晶體多晶型的結(jié)構(gòu)相變。 4、進(jìn)行高壓下典型半導(dǎo)體（氧化物、 ）的光、電、熱、磁效應(yīng)的多物理量表征；研究各種效應(yīng)中物理參量的變化規(guī)律及相互之間的關(guān)聯(lián)和制約。 5、繼續(xù)開(kāi)展高壓相多功能化合物的理論預(yù) 測(cè)和實(shí)驗(yàn)合成工作，開(kāi)展其他籠型化合物的高壓填充研究，探索高壓相的功能性質(zhì)與成分、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系；開(kāi)展納米晶塊材的高壓燒結(jié)研究。 3、繼續(xù)合成出部分復(fù)合納米限域體系，獲得復(fù)合納米限域體系的壓致相變規(guī)律及可能的相變機(jī)制，揭示壓力對(duì)部分準(zhǔn)一維復(fù)合納米材料的發(fā)光等性質(zhì)的影響規(guī)律，為超硬納米線、準(zhǔn)一維超導(dǎo)線的實(shí)驗(yàn)合成提供物理基礎(chǔ)；深入認(rèn)識(shí)壓力下多晶型中氫鍵的變化規(guī)律。 4、獲得高壓下化合物半導(dǎo)體的各種特殊物理效應(yīng)隨壓力的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新規(guī)律和新效應(yīng) 5、至少合成出 1 種新的 過(guò)渡族金屬硼化物 、氧化物 高壓相多功能材料，獲得高熱電性能的填充型化合物新材料，建立高壓相的功能性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系 6、發(fā)表 文 60，申報(bào) 3 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 第 五 年 1、完成動(dòng)、靜超高壓下典型富氫體系的理論與實(shí)驗(yàn)研究工作；完成 超高壓條件下純氫體系的研究，力爭(zhēng)找到氫金屬化的實(shí)驗(yàn)壓力；完成動(dòng)高壓下純氫體系 的研究工作，建立多溫度壓力點(diǎn)構(gòu)成的氫金屬化的動(dòng)高壓相轉(zhuǎn)變曲線； 完成壓力和其它外界條件下純氫體系的研究工作，找到氫的金屬化條件，實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。 2、高壓合成和研究非化學(xué)計(jì)量比（主要指非金屬元素） 序體和游體及基態(tài)演化；用高壓低溫強(qiáng)場(chǎng)多重極端條件研究對(duì)非化學(xué)計(jì)量比的 序體和 游體化合物的結(jié)構(gòu)、磁電和及其耦合效應(yīng)的作用。 3、完成高壓和高溫、光照等其它條件下復(fù)合納米限域體系高壓聚合相的形成和結(jié)構(gòu)演化歷程以及相應(yīng)的力學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)的研究工作。完成高壓下含有芳香環(huán)的有機(jī)晶體多晶型的結(jié)構(gòu)相變研究。 4、完成高壓下典型化合物半導(dǎo)體特殊光、電、磁、熱效應(yīng)的研究；氧化物、 化合物半導(dǎo)體高壓下電輸運(yùn)性質(zhì)變化的一般性規(guī)律，各物理量之間的關(guān)聯(lián)行為和制約機(jī)制的研究；探索 高壓下化合物半導(dǎo)體各種效結(jié)合前幾年的研究結(jié)果 ， 實(shí)現(xiàn)五年預(yù)期目標(biāo)： 1、揭示超高壓下純氫以及富氫體系中分子的解離機(jī)制，探索可能產(chǎn)生金屬氫的新途徑，實(shí)現(xiàn)壓制金屬化。 2、獲得不同壓力 組分空間中，新型含 3d、 4d、 5d 關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征和奇異物性，揭示超高壓關(guān)聯(lián)體系材料磁、電和介電的物理機(jī)制和晶體及電子結(jié)構(gòu)起源。 3、總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子體系的鍵合規(guī)律； 揭示高壓下準(zhǔn)一維納米體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律。 4、揭示化合物半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電輸運(yùn)行為與其特殊功能性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，詮釋高壓下電子馳豫、平均自由程、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵以及各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系及其規(guī)律。 5、在新型多功能材料的超高壓合成方面，由唯象研究上升到注重內(nèi)在物理本質(zhì)的探索，獲取截獲高壓亞穩(wěn)相的新方法及規(guī)律性認(rèn)識(shí)。合成出 3d、4d、 5d 族 3 種以上 序化和磁電新材料、 3有代表性高致密化超細(xì)微結(jié)構(gòu)的高性能塊體材料。 6、發(fā)表 文 60 70 篇。 研究?jī)?nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 應(yīng)隨壓力變化的規(guī)律，新規(guī)律和新效應(yīng)的物理機(jī)制。 5、完成新型高壓相多功能化合物的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)合成工作，以及納米晶塊材的高壓燒結(jié)研究。 7、完成項(xiàng)目結(jié)題工作。 注：項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中還要撰寫(xiě) 1 3部專著，申報(bào)高水平的獎(jiǎng)勵(lì) 3 5 項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利 15。同時(shí)培養(yǎng)高壓領(lǐng)域的拔尖人才以及學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)博士研究生 50 名、碩士研究生200 名。 一、研究?jī)?nèi)容 超高壓作為一個(gè)極端條件會(huì)引發(fā)眾多常壓下難以觀察到的新奇物理現(xiàn)象，為制備新材料、探索新現(xiàn)象和發(fā)展新理論提供了得天獨(dú)厚的機(jī)會(huì)，因此高壓領(lǐng)域的研究取得了許多令人矚目的成果，超高壓與激光、核磁共振、同步輻射和質(zhì)譜一起，被列為導(dǎo)致重要科學(xué)與技術(shù)新發(fā)現(xiàn)的最為關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)于豐富和發(fā)展 物質(zhì)科學(xué) 具 有特殊的優(yōu)勢(shì)；高壓下物質(zhì)呈現(xiàn)眾多的新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)，是發(fā)現(xiàn)和截獲具有新穎性質(zhì)的新型材料的重要源泉。 本項(xiàng)目將研究具有重大科學(xué)意義的超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新奇結(jié)構(gòu)與奇異性質(zhì) ， 擬解決兩個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題：（ 1）超高壓下典型凝聚態(tài)物質(zhì)新的原子空間分布和新的電子狀態(tài)以及微觀相互作用規(guī)律；（ 2）物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的高壓調(diào)制、演化過(guò)程以及特殊高壓相的截獲。注重發(fā)現(xiàn)常規(guī)條件下不能發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象、新效應(yīng)，提出新概念，發(fā)展新理論；為制備出常規(guī)條件下無(wú)法制備的新物質(zhì)和新材料提供科學(xué)依據(jù)。 我們將集參研單位的多年積累、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的實(shí)驗(yàn)條 件，充分發(fā)揮物理、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉的優(yōu)勢(shì)，緊緊圍繞重大科學(xué)前沿問(wèn)題，瞄準(zhǔn)國(guó)家的重大需求，在這些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題的解決上取得突破。 主要研究?jī)?nèi)容 緊緊圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、從小尺寸到體材料，選擇具有代表性、倍受關(guān)注的物質(zhì)體系作為研究對(duì)象， 研究具有重大科學(xué)意義的超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的新奇結(jié)構(gòu)與奇異性質(zhì) ， 主要研究?jī)?nèi)容包括： 1）超高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能， 2）超高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為， 3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化， 4）超高壓下的化合物半導(dǎo)體的電輸運(yùn)與新效應(yīng)， 5）超高壓下 亞穩(wěn)相的截獲與材料的微結(jié)構(gòu)及性能調(diào)控。 具體 的研究 工作如下 ： 1） 超高壓下凝聚體系的金屬化與奇異性能 上個(gè)世紀(jì)三十年代，科學(xué)家就利用現(xiàn)代量子力學(xué)理論，預(yù)言高壓會(huì)導(dǎo)致固態(tài)氫由絕緣體轉(zhuǎn)變成導(dǎo)體。在超高外界壓力的作用下，構(gòu)成氫分子的共價(jià)鍵斷裂，氫原子核外的電子為所有原子核共用，形成金屬鍵和空間擴(kuò)展的高能態(tài)金屬晶體，即金屬氫。根據(jù)計(jì)算，金屬氫的密度可以達(dá)到 1.3 g/高 能量 密度 、綠色清潔 能源材料，而極高的德拜溫度又使得金屬氫成為室溫超導(dǎo)體的第一候選材料。但是由于氫分子內(nèi)部的共價(jià)鍵太強(qiáng)，而且其零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)很大，目 前實(shí)驗(yàn)上還沒(méi)有獲得金屬氫，成為上個(gè)世紀(jì)沒(méi)能解決的十大物理問(wèn)題之一。 在前期 973 項(xiàng)目的支持下，我們針對(duì)鍵合較弱的其它雙原子分子和多原子分子固體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作，并取得了突破性進(jìn)展。例如，高壓使得與氫非常類似的雙原子分子固體碘等實(shí)現(xiàn)了金屬化，并產(chǎn)生了原子金屬相。揭示了固態(tài)碘在高壓的作用下，由雙原子分子晶體轉(zhuǎn)變成原子晶體從而實(shí)現(xiàn)金屬化的整個(gè)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在高壓下碘首先變成具有兩種不同鍵長(zhǎng)共存的分子晶體，再變成既具有分子相又具有原子相特征的非公度結(jié)構(gòu)，然后才變成原子晶體，弄清了碘的壓致分子解離到原子晶體形成的微觀 機(jī)制，研究結(jié)果發(fā)表在 05， 4999(2008)，76， 104113(2007)等雜志上，為金屬氫的研究提供了重要的物理圖像。為本研究奠定了重要的基礎(chǔ)。 首先選擇單核共價(jià)氫化物（如 及雙核及多核的氫化物（如 ）為研究對(duì)象，由于這些體系的主導(dǎo)元素是氫，所以金屬化之后這些體系會(huì)呈現(xiàn)許多純金屬氫中的特殊性質(zhì)。而這些富氫體系中存在其它元素，會(huì)對(duì)氫的子體系產(chǎn)生預(yù)壓作用，所以富氫體系金屬化所需的壓力會(huì)大大 低于純氫體系，比純氫體系更容易金屬化，我們的前期理論研究結(jié)果 (101, 107002( 2008)， 07， 1317(2010)證實(shí)了這樣的推斷。利用原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的靜高壓實(shí)驗(yàn)、沖擊波產(chǎn)生的動(dòng)高壓實(shí)驗(yàn)和第一原理密度泛函等理論，探索這些富氫體系結(jié)構(gòu)隨外界壓力的變化，以及金屬化出現(xiàn)的條件和體系性質(zhì)的變化，揭示氫的子體系的微觀狀態(tài)隨壓力的變化可能帶來(lái)的新奇宏觀性質(zhì)，如高溫超導(dǎo)特性等，為金屬氫的研究提供新的物理圖象和指導(dǎo)。 同時(shí)選擇純氫（ 為研 究對(duì)象，研究壓力對(duì)純氫體系的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的影響，特別研究壓力以及其它外界條件（高溫、激光等）對(duì)氫分子內(nèi)部氫原子間鍵合的綜合影響，探索產(chǎn)生金屬氫的新途徑，從而實(shí)現(xiàn)氫的金屬化。 力爭(zhēng)在金屬氫這個(gè)未解的重大物理問(wèn)題上有突破。同時(shí)本課題還對(duì)深入認(rèn)識(shí)凝聚態(tài)物質(zhì)的電子狀態(tài)、原子價(jià)態(tài)、原子間鍵合以及力學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律有重要的意義，為創(chuàng)造新型能源材料，以及對(duì)新材料合成中的基本問(wèn)題的理解提供理論支持。 2）超 高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中價(jià)電子的行為 以過(guò)渡族金屬化合物為代表的新型凝聚態(tài)體系，由于存在化學(xué)鍵的多樣性、d 電 子的自旋軌道和晶格的交互作用及電子強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，擁有豐富的物理現(xiàn)象。關(guān)聯(lián)體系化合物所含有的高溫超導(dǎo)、絕緣體金屬相變、磁性和電性耦合等成為當(dāng)今凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域，正在揭示出凝聚態(tài)物理新圖像，有豐富的物質(zhì)科學(xué)問(wèn)題需要研究。關(guān)聯(lián)體系物質(zhì)有兩大類，其一為以 3d 合物為代表的局域型反鐵磁絕緣體的基態(tài)構(gòu)型，在絕緣體金屬化相變過(guò)程中產(chǎn)生了諸如以銅氧化物高溫超導(dǎo)為代表的新奇物理現(xiàn)象。其二為 4d 和 5d 族類 合物為代表的擴(kuò)展型體系，體系的自旋軌道耦合漸強(qiáng)，可以呈現(xiàn)量子臨界相變、亞磁性、稀磁金屬 等奇異的物理特性。系統(tǒng)研究這兩類關(guān)聯(lián)體系豐富的物理特性及其結(jié)構(gòu)起源，探尋 晶體場(chǎng)交換作用自旋軌道耦合隨價(jià)電子構(gòu)型的演化規(guī)律，對(duì)深入 認(rèn)識(shí)涵蓋 3d、 4d 和 5d 的主要 關(guān)聯(lián)體系的基本物理圖像非常重要。 高壓對(duì)關(guān)聯(lián)體系的研究發(fā)揮著重要的作用。高壓提供的獨(dú)特的熱力學(xué)條件為研究相關(guān)結(jié)構(gòu)及其物理問(wèn)題提供了新一維空間，如高壓可以驅(qū)動(dòng)絕緣體與金屬間的相變，許多由溫度和組分調(diào)控的物理性質(zhì)具有非常明顯的壓力效應(yīng)；類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)是許多過(guò)渡金屬化合物的結(jié)構(gòu)形態(tài)，而高壓易于合成具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的致密物質(zhì)；化學(xué)變價(jià)是過(guò)渡金屬化合物的主要特 征，而壓力則可在相當(dāng)程度上影響原子外殼層價(jià)電子分布和轉(zhuǎn)移。在高壓下不僅合成了一系列新型鈣鈦礦化合物，原位加壓更獲得了 164K 的超導(dǎo)臨界轉(zhuǎn)變溫度的最高記錄。這些通常多依賴于溫度和化學(xué)組分的物理現(xiàn)象若加以顯著的壓力因素，將產(chǎn)生全然不同的臨界關(guān)系，其中有豐富的量子力學(xué)問(wèn)題需要研究。高壓通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)能帶和物性的作用，所以要深入認(rèn)識(shí)超高壓關(guān)聯(lián)體系的微觀相互作用，就必須了解壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的精細(xì)作用。 我們將從高壓高溫合成新體系出發(fā)，研究新型關(guān)聯(lián)體系化合物的物性和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，深入認(rèn)識(shí)高壓下關(guān)聯(lián)體系中圍繞 d 電子的價(jià)電子 的行為以及微觀相互作用規(guī)律；在原子尺度上揭示異類原子間的反應(yīng)機(jī)制、電子和原子轉(zhuǎn)移規(guī)律以及化合作用，探討高壓新一維度中 涵蓋 3d、 4d 和 5d 的 關(guān)聯(lián)體系化合物的磁性、電性、介電及共存和轉(zhuǎn)化等一系列現(xiàn)象的物理機(jī)制，揭示這些物理現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)起源。 3）超高壓下納米限域體系的結(jié)構(gòu)演化 高壓下分子體系的研究對(duì)金屬氫的探索有重要的指導(dǎo)意義，該領(lǐng)域還有諸多關(guān)鍵的基本科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有解決，例如，有些新奇的高壓相結(jié)構(gòu)在卸壓后卻是可逆的，無(wú)法在常壓下獲得；有些體