PNAS：哈工大破解非晶硒压致晶化过程中电学性质难题

 哈尔滨工业大学教授刘浩哲带领的高压研究团队与美国能源部阿岗国家实验室、哈佛大学和卡内基研究院地球物理实验室，在共同开展非晶硒（a-Se）在压力下的性质研究时，成功发现了“压力引起的体积膨胀现象”，研究结果解决了非晶硒在高压下所显示的异常电学性质这一长期难题，并揭示了新的同步辐射X射线技术对于研究材料在条件下性质的重要作用。这一突破性成果近期在美国《国家*院刊》（PNAS）上发表后，受到物理和材料研究领域的广泛关注。
 
    材料在压力、温度和磁场等条件下的行为是材料科学的一个重要研究领域，同时也是发展新型材料的关键所在。20世纪70年代，人们发现非晶硒（一个检验非晶材料压致效应的理想材料）在接近十万大气压压力下晶化为三方结构晶体（t-Se）。然而，非晶硒和三方硒在相同压力下的电阻却存在明显差异。在晶化压力下，非晶硒的原位电阻测试显示了其电阻的不连续跳跃，这一过程与三方硒的电阻相比减小了2～3个数量级。更为奇特的是，当压力保持在晶化压力时，晶化过程中硒的电阻随时间的增加而增大。这种在非晶硒与三方硒中发生的在电阻和结构之间的差异，引起了研究人员的兴趣，从而促使他们进一步利用X射线衍射（XRD）技术对压致晶化的过程开展研究。
 
    从2007年开始，使用在同步辐射X射线上发展的新技术，刘浩哲与合作伙伴在美国能源部阿岗国家实验室的*光子源（APS）研究了非晶硒在压力下的性质，发现了非晶硒在高压下未曾预料的动态晶化过程和反常的体积膨胀。他们利用新开发的高压原位X射线三维成像技术，研究了这种异常现象的起源。同时，这一新技术提供了直接测量非晶材料状态方程的新方法。
 
    刘浩哲说：“应用和发展X射线三维成像技术在DAC内*次观测到高压下样品原位的三维影像是非常令人激动的。更重要的是，X射线显微成像技术揭示了晶化过程中样品摩尔体积随时间的演化和体积膨胀的新奇现象。这种压致体积膨胀与化学成份变化所造成的现象是截然不同的，如沸石的体积反常膨胀是由于从传压介质中吸收了水分而导致的水合作用。与之形成鲜明对照的是，在单质硒中晶化过程的体积反常膨胀，反映了其局域结构在非平衡条件下的拓扑涨落。”