【基金标书】2011CB808200-超高压下凝聚态物质的新结构与新性质

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： 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 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 ； 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 序化和 磁电新材料、 3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 录的国内外著名学术刊物上发表论文 300 篇以上，撰写 1 3 部专著，申报高水平的奖励 3 5 项，申请发明专利 15。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 、 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 内唯一的 激光加热原位高温高压同步辐射与常规 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 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 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 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 及双核及多核的氢化物（如 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 序化和 磁电新材料，获得不同压力 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 组分空间，进行 3d、 4d、 5d 关联体系序化和 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、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。针对序化和 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 /米管、分子筛道等纳米体系内 典型双原子分子体系、 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 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 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新型过渡金属硼化物、碳化物、氧化物及 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。 承担单位： 燕山大学 、 四川大学 课题负责人： 田永君 学术骨干： 何巨龙、于栋利、贺端威、于凤荣、彭放 课题间关系 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。 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、多角度地选择了凝聚态物质，形成了丰富的研究体系。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。 常规体系 原子键合 电子状态 课题 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 体材料中 原子键合、新 结构 规律 高压电输运性质原位测量技术 能带结构、电子状态 电 、 磁场下的 常规体系 课题 4 ： 超高压下典型半导体材料的电输运特性 空间限域带来的尺寸效应 电子关联 非常规体系 课题 2 ： 超高压下的新型关联体系 （强关联） 课题 3 ： 超高压下纳米限域体系的新结构与新性质 （小尺寸） 关联 限域 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。 课题 1、 3、 4 将联 合攻关，力争在物质压致金属化的研究方面取得突破。 四、年度计划 研究内容 预期目标 第 一 年 1、研究静高压和动高压下 属化和分子解离过程与机制，弄清金属化条件；探索压力和高温、短波长脉冲激光等其它外界条件的综合效应对这些固体结构、原子间键合和性质的影响； 在给定温度和超高压条件下，进行纯氢体系结构、光谱学以及电学性能的超高压研究。 2、进行 合物（ A 为碱土金属 、 M 为过渡金属） 3d 族（ , 等 ） 等过渡金属的新型序化和 游特性 化合物 的高压合成；研究它们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 在 高压低温磁场综合极端条件下的电性 、磁性和结构。 3、合成出碳 /氮化硼纳米管、分子筛等纳米限域模板及其 双原子分子纳米限域复合体系；合成出含半导体发光探针分子的纳米限域体系。研究高压、室温条件下上述体系的晶格振动和晶体结构的变化；探索高压下三聚氰氯等卤键超分子体系1、从理论上弄清 固体的金属化条件与行为，初步认识压力和其它外界条件对这些固体金属化过程以及分子解离过程的综合效应；从理论上确认纯氢固体的超高压结构以及部分结构相变规律。 2、高压合成几种单相的 序化和 游特性化合物；确定这些化合物的基本结构及其和物性关联；揭示这些化合物的 d 壳层价电 子在多重极端条件下的特殊物理行为、结构演化及相互关联效应。 3、揭示纳米限域模板体系及其分子限域体系的结构演化规律；深入认识压力下卤键相互作用变化规律。 4、建立基于金刚石对顶砧技术的多物理量原位测试系统，实现高压下多物理量的联合表征；给出氧化物半导体在压致相变过程中各物理量的变化规律。 5、设计出 3 渡族金属碳化物、氧化物 高压相 多功能材料，至少合成出 1 种新亚稳相材料，完成 充 合物的制备并优化其热电性能。 研究内容 预期目标 的结构相变。 4、构建超高压下原位多物理量联合测量实验系统；进行高压下典型氧化物半导体电输运性质的多物理量联合表征。 5、开 展亚稳化合物高压相结构、存在条件、相变规律的理论研究工作，预测高压相化合物的物理性质；开展亚稳化合物的高压合成，确定晶体结构，测试材料性能，制备出单元素填充的 合物，测试热电性能。 6、发表 文 40，申报国家发明专利 3 5 项。 第 二 年 1、开展动态和静态超高压下 固体的结构相变、金属化和分子解离机制的研究，理论确定金属化条件； 继续开展静态超高压下固态氢的结构、结构相变的物理机制的研究并探索动态超高压的作用；开展 压力和其它外界条件的综合效应对晶体结构、原子间键合以及金属化过程的影响等方面的原位实验研究工作。 2、在单层化合物的基础上开展层状（ ）新型过渡金属 序化和 游特性化合物的高压合成（ A 为碱土金属、M 为过渡金属）；研究层状 序化和 游特性化合 物在不同压力温度组分空间结构特征、形成过程与控制、结构与性能的关1、建立高温高压区域 现其中一种材料的压致金属化，并揭示金属化之后的奇异性质。从理论上弄清 认纯氢固体的超高压结构以及部分结构相变规律。初步认识压力和其它外界条件对结构相变的综合效应。 2、高压合成几种层状 序化和游特性化合物，确定这些化合物的基本结构、探讨 d 壳层电子层间耦合对 序化和 游特性的作用。揭示高压对结构维度可变的 序化和 游体的结构、磁性、电学特性的基本作用规律。 3、总结纳米限域体系的结构演化规 研究内容 预期目标 系；运用高压低温强场条件原位测试这些新化合物的磁电响应特性。 3、针对 碳 /氮化硼纳米管、分子筛等纳米限域模板体系及其 双原子分子纳米限域复合体系 ，开展高压和其它条件下（如高温、光照）的晶格振动、晶体结构的变化、高压新相的形成和结构演化等研究，及其高压下的光学等物理性质随压力的变化规律。初步开展 米限域体系的合成工作。探索高压下甲基磺酸胍等氢键和静电相互作用竞争的超分子体系的结构相变。 4、改进与优化超高压下原位多物理量 联合表征实验系统的；研究超高压下氧化物半导体的电导率、载流子浓度、迁移率、活化能之间的联系与制约关系以及超高压下典型氧化物半导体的金属化相变和相转变机理。 5、继续开展高压相多功能化合物的理论预测研究工作；进行过渡族金属氧化物高压相的实验合成研究；继续开展 合物的单元素高压填充研究，同时开展双元素填充的研究，测试热电性能 律，弄清其结构转变的物理机制；深入认识压力对纳米限域材料的发光等物理性质的影响以及压力下氢键和静电相互作用竞争机制。 4、完成典型氧化物超高压下的电输运性质的表征，确定电导率、迁移率、载流子浓度、活化能之间的依赖关系，获得高压下氧化物半导体电输运行为的物理规律。 5、设计出 3 渡族金属碳化物、氧化物 高压相多功能材料并至少合成出 1 种新的过渡族金属氧化物高压相材料；制备出 大于 高性能 n 型 热电材料。 6、发表 文 40 60 篇，申报专 利 3。 1、开展动态和静态超高压下 2固体的结构相变、金属化和分子解离机制的研究，确定金属化条1、在超高压力范围，建立 理论上弄清 研究内容 预期目标 第 三 年 件。 继续开展超高压下固态氢的结构相变的研究，理论确定氢金属化的条件和金属化之后的奇异特性。利用动高压技术找到某种温度与压力条件，实现金属化；开展 压力和其它外界条件的综合效应对晶体结构、原子间键合以及金属化过程的影响的原位研究。 2、高压高温合成和研究异价元素替代对 化合物的结构和基本物理性质的作用规律；原位研究高压对掺杂型 化合物的晶体结构、电子结构和自旋有序变化的调控机制；运用高压低温强场实验平台，测量掺杂型序化和 游特性化合物对综合极端条件的物理响应。 3、合成碳 /氮化硼纳米管、分子筛等纳米限域模板体系及其 双原子分子纳米限域复合体系；继续合成出含半导体发光探针分子的纳米限域体系；在室温下研究高压下上述纳米限域复合纳米体系的晶格振动和晶体结构的变化。探索高压下典型氢键和静电相互作用竞争的超分子体系的结构相变。 4、进行超高压下典型 半导体电输运性质的多物理量联合表征；固体的金属化机制，弄清金属化条件；总结压力和其它外界条件的综合效应对单核富 氢化合物的金属化和分子解离的作用规律；从理论上确定纯氢体系的金属化条件。深入认识压力和其它外界条件对纯氢体系结构相变的综合效应。 2、通过对磁电、多重铁性、超导等结构及性能的研究，确立混合价态对序化和 游特性演化的影响机制；揭示压力作用下 d 壳层价电子轨道杂化对 序化和游型化合物微结构、物性的作用规律；探索掺杂型 序化和 游特性在高压低温强场多重极端条件的新量子现象。 3、合成出部分复合纳米限域体系；探索复合纳米限域体系压致结构相变历程；揭示纳米 受限条件下体系的结构演化规律；揭示压力下氢键和静电相互作用竞争机制。 4、完成系列 化合物半导体高压下电输运性质变化规律的多物理量表征，确定压致金属化相变规律以及金属化行为与价电子组态的关联规律。 5、设计出 2 渡族金属硼化物、氧化物 高压相多功能材 研究内容 预期目标 研究系 列 化合物半导体的压致金属化规律和相变机制；探索不同价电子组态下的压致电输运行为变化的特点、金属化相变与价电子组态的关系。 5、继续开展高压相化合物的理论预测研究工作；开展多种高压相化合物的实验合成方面的探索；开展高压下不同载流子类型的填充型 合物的探索；测定各高压相的结构和力学、电学、热学等性质。 料，至少合成出 1 种新的高压相多功能材料，获得高性能 p 型 热电材料。 6、发表 文 60， 申报专利 3 。 第 四 年 1、开展动、静超高压下 继续进行纯氢体系的 超高压原位实验研究，注重三百万大气压以上的实验工作，利用动高压加载技术，弄清更多 纯氢体系 的金属化温度与压力条件，初步建立氢金属化的动高压相转变曲线；开展 压力和其它外界条件的综合效应对晶体结构、原子间键合以及金属化过程的影响等原位实验研究工作。 2、用等价元素替代研究结构畸变度对 序化和 游型化合物的结构和物理本征特性的作用；高压原位研究结构畸变对电子和磁结构及其相互耦合的调制；采用高压低温强场等综合极端条件研究不同畸变度的 序化和 游型1、在超高压力范围，建立 2固体的相图，实现至少一种材料的压致金属化并揭示金属化之后的奇异性质；弄清 固体的金属化条件； 从理论上确定超高压下纯氢体系金属化之后晶体结构的变化及其奇异特性 ，揭示压力和其它外界条件对纯氢体系金属化相变的综合效应。 2、阐明 d 壳层价电子间距和键角的变化对 序化和 游特性的影响机制；建立压力对 序体和 游体结构畸变调制的经验规律；探明这些 序化和 游型化合物在高压综合极端条件结构、性能变化规律，发现特殊性能。 研究内容 预期目标 化合物的电磁性能及与结构组成的关 系。 3、研究高压和高温、光照等其它条件下聚合新相的形成和结构演化历程及其相应的物理性质；针对不同的复合纳米体系，在室温、高压条件下开展电学、光学、力学等物理性质随压力的变化规律的研究；开展碳 /氮化硼纳米管、分子筛等纳米限域模板中含 含氢分子复合限域体系的合成；探索高压下邻氨基苯甲酸等有机晶体多晶型的结构相变。 4、进行高压下典型半导体（氧化物、 ）的光、电、热、磁效应的多物理量表征；研究各种效应中物理参量的变化规律及相互之间的关联和制约。 5、继续开展高压相多功能化合物的理论预 测和实验合成工作，开展其他笼型化合物的高压填充研究，探索高压相的功能性质与成分、晶体结构和电子结构的关系；开展纳米晶块材的高压烧结研究。 3、继续合成出部分复合纳米限域体系，获得复合纳米限域体系的压致相变规律及可能的相变机制，揭示压力对部分准一维复合纳米材料的发光等性质的影响规律，为超硬纳米线、准一维超导线的实验合成提供物理基础；深入认识压力下多晶型中氢键的变化规律。 4、获得高压下化合物半导体的各种特殊物理效应随压力的变化规律，发现新规律和新效应 5、至少合成出 1 种新的 过渡族金属硼化物 、氧化物 高压相多功能材料，获得高热电性能的填充型化合物新材料，建立高压相的功能性质和微观结构之间的关系 6、发表 文 60，申报 3 研究内容 预期目标 第 五 年 1、完成动、静超高压下典型富氢体系的理论与实验研究工作；完成 超高压条件下纯氢体系的研究，力争找到氢金属化的实验压力；完成动高压下纯氢体系 的研究工作，建立多温度压力点构成的氢金属化的动高压相转变曲线； 完成压力和其它外界条件下纯氢体系的研究工作，找到氢的金属化条件，实现氢的金属化。 2、高压合成和研究非化学计量比（主要指非金属元素） 序体和游体及基态演化；用高压低温强场多重极端条件研究对非化学计量比的 序体和 游体化合物的结构、磁电和及其耦合效应的作用。 3、完成高压和高温、光照等其它条件下复合纳米限域体系高压聚合相的形成和结构演化历程以及相应的力学、光学等物理性质的研究工作。完成高压下含有芳香环的有机晶体多晶型的结构相变研究。 4、完成高压下典型化合物半导体特殊光、电、磁、热效应的研究；氧化物、 化合物半导体高压下电输运性质变化的一般性规律，各物理量之间的关联行为和制约机制的研究；探索 高压下化合物半导体各种效结合前几年的研究结果 ， 实现五年预期目标： 1、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。 2、获得不同压力 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。 3、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。 4、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。 5、在新型多功能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 序化和磁电新材料、 3有代表性高致密化超细微结构的高性能块体材料。 6、发表 文 60 70 篇。 研究内容 预期目标 应随压力变化的规律，新规律和新效应的物理机制。 5、完成新型高压相多功能化合物的理论预测和实验合成工作，以及纳米晶块材的高压烧结研究。 7、完成项目结题工作。 注：项目执行过程中还要撰写 1 3部专著，申报高水平的奖励 3 5 项，申请发明专利 15。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。 一、研究内容 超高压作为一个极端条件会引发众多常压下难以观察到的新奇物理现象，为制备新材料、探索新现象和发展新理论提供了得天独厚的机会，因此高压领域的研究取得了许多令人瞩目的成果，超高压与激光、核磁共振、同步辐射和质谱一起，被列为导致重要科学与技术新发现的最为关键的实验技术，对于丰富和发展 物质科学 具 有特殊的优势；高压下物质呈现众多的新结构和新性质，是发现和截获具有新颖性质的新型材料的重要源泉。 本项目将研究具有重大科学意义的超高压下凝聚态物质的新奇结构与奇异性质 ， 拟解决两个关键的科学问题：（ 1）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；（ 2）物质结构与性质的高压调制、演化过程以及特殊高压相的截获。注重发现常规条件下不能发现的新现象、新效应，提出新概念，发展新理论；为制备出常规条件下无法制备的新物质和新材料提供科学依据。 我们将集参研单位的多年积累、技术优势和良好的实验条 件，充分发挥物理、化学、材料等多学科交叉的优势，紧紧围绕重大科学前沿问题，瞄准国家的重大需求，在这些关键科学问题的解决上取得突破。 主要研究内容 紧紧围绕关键科学问题，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、倍受关注的物质体系作为研究对象， 研究具有重大科学意义的超高压下凝聚态物质的新奇结构与奇异性质 ， 主要研究内容包括： 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。 具体 的研究 工作如下 ： 1） 超高压下凝聚体系的金属化与奇异性能 上个世纪三十年代，科学家就利用现代量子力学理论，预言高压会导致固态氢由绝缘体转变成导体。在超高外界压力的作用下，构成氢分子的共价键断裂，氢原子核外的电子为所有原子核共用，形成金属键和空间扩展的高能态金属晶体，即金属氢。根据计算，金属氢的密度可以达到 1.3 g/高 能量 密度 、绿色清洁 能源材料，而极高的德拜温度又使得金属氢成为室温超导体的第一候选材料。但是由于氢分子内部的共价键太强，而且其零点运动很大，目 前实验上还没有获得金属氢，成为上个世纪没能解决的十大物理问题之一。 在前期 973 项目的支持下，我们针对键合较弱的其它双原子分子和多原子分子固体进行了系统的研究工作，并取得了突破性进展。例如，高压使得与氢非常类似的双原子分子固体碘等实现了金属化，并产生了原子金属相。揭示了固态碘在高压的作用下，由双原子分子晶体转变成原子晶体从而实现金属化的整个过程，发现在高压下碘首先变成具有两种不同键长共存的分子晶体，再变成既具有分子相又具有原子相特征的非公度结构，然后才变成原子晶体，弄清了碘的压致分子解离到原子晶体形成的微观 机制，研究结果发表在 05， 4999(2008)，76， 104113(2007)等杂志上，为金属氢的研究提供了重要的物理图像。为本研究奠定了重要的基础。 首先选择单核共价氢化物（如 及双核及多核的氢化物（如 ）为研究对象，由于这些体系的主导元素是氢，所以金属化之后这些体系会呈现许多纯金属氢中的特殊性质。而这些富氢体系中存在其它元素，会对氢的子体系产生预压作用，所以富氢体系金属化所需的压力会大大 低于纯氢体系，比纯氢体系更容易金属化，我们的前期理论研究结果 (101, 107002( 2008)， 07， 1317(2010)证实了这样的推断。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，探索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和体系性质的变化，揭示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。 同时选择纯氢（ 为研 究对象，研究压力对纯氢体系的结构与性质的影响，特别研究压力以及其它外界条件（高温、激光等）对氢分子内部氢原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。 力争在金属氢这个未解的重大物理问题上有突破。同时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 高压下强关联体系中价电子的行为 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 子的自旋轨道和晶格的交互作用及电子强关联性，拥有丰富的物理现象。关联体系化合物所含有的高温超导、绝缘体金属相变、磁性和电性耦合等成为当今凝聚态物质科学最活跃的前沿领域，正在揭示出凝聚态物理新图像，有丰富的物质科学问题需要研究。关联体系物质有两大类，其一为以 3d 合物为代表的局域型反铁磁绝缘体的基态构型，在绝缘体金属化相变过程中产生了诸如以铜氧化物高温超导为代表的新奇物理现象。其二为 4d 和 5d 族类 合物为代表的扩展型体系，体系的自旋轨道耦合渐强，可以呈现量子临界相变、亚磁性、稀磁金属 等奇异的物理特性。系统研究这两类关联体系丰富的物理特性及其结构起源，探寻 晶体场交换作用自旋轨道耦合随价电子构型的演化规律，对深入 认识涵盖 3d、 4d 和 5d 的主要 关联体系的基本物理图像非常重要。 高压对关联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价电子分布和转移。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。高压通过对结构的调控实现对能带和物性的作用，所以要深入认识超高压关联体系的微观相互作用，就必须了解压力对结构的精细作用。 我们将从高压高温合成新体系出发，研究新型关联体系化合物的物性和结构关联，深入认识高压下关联体系中围绕 d 电子的价电子 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，探讨高压新一维度中 涵盖 3d、 4d 和 5d 的 关联体系化合物的磁性、电性、介电及共存和转化等一系列现象的物理机制，揭示这些物理现象的结构起源。 3）超高压下纳米限域体系的结构演化 高压下分子体系的研究对金属氢的探索有重要的指导意义，该领域还有诸多关键的基本科学问题没有解决，例如，有些新奇的高压相结构在卸压后却是可逆的，无法在常压下获得；有些体