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中山大學(xué)丨極端條件下異常鈣鈦礦物相精準(zhǔn)合成方面新進(jìn)展

背景介紹

高溫高壓極端條件制備方法作為一種特殊的研究手段，在物理、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)及材料合成等方面具有重要的地位。物質(zhì)在高溫高壓條件下其原子/分子間距離將縮短，相互作用會(huì)顯著增強(qiáng)，原子內(nèi)層電子可參與成鍵，原有的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相變，改變物質(zhì)的電磁相互作用狀態(tài)，帶來更多奇特的物理性能。

如2015年，德國科學(xué)家M. I. Eremets等人發(fā)現(xiàn)H₂S在90 GPa，203K時(shí)具有高溫超導(dǎo)特性；^[1] 2019年，德國馬普化學(xué)所Drozdov團(tuán)隊(duì)報(bào)道了在170 GPa的條件下鑭氫化合物在250 K時(shí)變?yōu)槌瑢?dǎo)體；^[2]2020年美國科學(xué)家Ranga P. Dias等人在267 GPa觀測到一種氫化物材料在288 K產(chǎn)生了室溫超導(dǎo)現(xiàn)象；^[3] 2017年Isaac Silvera等在495 GPa的條件下首次觀測到金屬氫化合物等。^[4]

高溫高壓合成方法得到了愈來愈多科研工作者的親睞。異常鈣鈦礦材料是一類新型的磁、電多功能材料，然而，由于高畸變結(jié)構(gòu)（小容忍因子t）的限制，此類化合物一直十分稀缺。近年來得益于高溫高壓技術(shù)的應(yīng)用，越來越的異常鈣鈦礦材料才得以進(jìn)入到人們的視野。

傳統(tǒng)的高溫高壓制備采用試錯(cuò)法，需要大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，過程繁瑣，研發(fā)周期長，資源消耗較大。在極端制備條件下實(shí)現(xiàn)特定結(jié)構(gòu)的異常鈣鈦礦材料的精準(zhǔn)合成，對于開發(fā)新材料、新性能領(lǐng)域有重要的意義。異常鈣鈦礦材料多為亞穩(wěn)態(tài)，升降壓過程中物質(zhì)會(huì)發(fā)生豐富的結(jié)構(gòu)變化，因而精確控制實(shí)驗(yàn)條件，材料經(jīng)過合適的高溫高壓后淬火截留，再回到常壓狀態(tài)會(huì)獲得的期望的物相，至關(guān)重要。

因此，具有導(dǎo)向性地通過高溫高壓方法開發(fā)新材料、獲得新性能對于縮短材料的研發(fā)周期，降低實(shí)驗(yàn)成本具有重要的價(jià)值。近年來，隨著計(jì)算能力的大幅度提升，采用大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計(jì)算的方法加速新材料的發(fā)現(xiàn)成為了可能。

成果簡介

近日，中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院李滿榮教授團(tuán)隊(duì)通過大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計(jì)算，在極端條件下實(shí)現(xiàn)異常鈣鈦礦物相精準(zhǔn)合成方面取得了進(jìn)展。作者采用大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高通量計(jì)算，預(yù)測了一種新型R3相極性磁體Co₃TeO₆，并通過實(shí)驗(yàn)在5 GPa，1123 K下精準(zhǔn)合成了該極性磁體。相關(guān)成果以“Data-driven computational prediction and experimental realization of exotic perovskite-related polar magnets”為題發(fā)表在npj Quantum Mater. (2020, 5, 92)。大數(shù)據(jù)檢索高通量計(jì)算的流程圖如圖1a所示：作者以異常鈣鈦礦A₃TeO₆為例，計(jì)算了A位為Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn時(shí)A₃TeO₆隨制備壓力變化時(shí)的相結(jié)構(gòu)變化情況，再以Co₃TeO₆為例，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

論文導(dǎo)讀

圖1. a. 大數(shù)據(jù)高通量計(jì)算流程圖；b. A位為不同元素的A₃TeO₆隨壓力變化時(shí)的結(jié)構(gòu)變化

Co₃TeO₆的常壓相屬于非極性C2/c空間群，其反鐵磁轉(zhuǎn)變溫度為T_N~30 K。理論預(yù)測表明，當(dāng)制備壓力高于5 GPa時(shí)，Co₃TeO₆將轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性R3相（記為HP-CTO），其估算的鐵電疇反轉(zhuǎn)能壘和已報(bào)道的同類材料相當(dāng)，是潛在的多鐵性材料。隨后，作者在5 GPa，1123 K制備條件下精準(zhǔn)合成極性磁體HP-CTO。HP-CTO在為T₁ ~ 24 K和T₂ ~ 58 K存在兩個(gè)磁轉(zhuǎn)。在T₂轉(zhuǎn)變點(diǎn)以下的M-H曲線（5和50 K）呈現(xiàn)復(fù)雜的變磁性相應(yīng)。粉末中子衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明HP-CTO在T₂轉(zhuǎn)變溫度以下著c軸方向的螺旋磁序結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2. 變溫粉末中子衍射測定HP-CTO在5和45 K下的磁結(jié)構(gòu)

作者進(jìn)一步表征了樣品的電、磁和磁電耦合性能，HP-CTO在T₂ ~ 58 K處，出現(xiàn)本征的介電常數(shù)異常峰（圖3b）。極化強(qiáng)度在T₂以下開始增加，但極化方向并不隨極化電場的反向而反向（圖3c），表明HP-CTO具有熱釋電性，而非鐵電性。同時(shí)，HP-CTO表現(xiàn)出來源于磁致伸縮的電極化與磁場的耦合作用。作者根據(jù)磁性能和電性能測試結(jié)果，繪制出HP-CTO的磁電相圖（圖3g）。

圖3. HP-CTO的磁電耦合性能和磁電相圖

計(jì)算輔助識別新材料的最終目的是結(jié)合晶體結(jié)構(gòu)及特定性能，在復(fù)雜條件下預(yù)測穩(wěn)態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）化合物，特別是難以通過常規(guī)實(shí)驗(yàn)獲得的化合物，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性能導(dǎo)向的精準(zhǔn)合成，加速新材料的發(fā)現(xiàn)進(jìn)程。大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計(jì)算能夠快速預(yù)測穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，為尋找具有最佳性能的材料提供高效的搜索。該工作驗(yàn)證了大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計(jì)算方法可以應(yīng)用于指導(dǎo)新型異常鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)與合成，為研究具有優(yōu)異電、磁性能的異常鈣鈦礦材料提供了有價(jià)值的參考，后期工作有望拓展到其他體系，并在化學(xué)空間掃描計(jì)算，訓(xùn)練數(shù)據(jù)，發(fā)展高自由度的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，建立相應(yīng)的材料基因庫。

該工作得到國家自然科學(xué)基金委（NSFC-21875287, 21801253, 11804404）、廣東省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2017ZT07C069)支持。

主要合作者貢獻(xiàn)

東南大學(xué)董帥教授課題組參與了高通量計(jì)算的研究。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所(NIST)黃清鎮(zhèn)老師，中國散列中子源何倫華、陳潔老師指導(dǎo)了中子衍射數(shù)據(jù)的收集。俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院的Alexandra A. Savina和 Artem M. Abakumov完成了磁結(jié)構(gòu)的解析。德國科隆大學(xué)Christoph P. Grams和 Joachim Hemberger完成了磁介電和磁電性能的測試。美國新澤西州立大學(xué)Mark Croft和美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的Steven Ehrlich和Syed Khalid完成了XANES的測試與分析。北京理工大學(xué)洪家旺教授和王學(xué)云副研究員并完成了PFM測試。中山大學(xué)材料學(xué)院黃豐教授和王彪博士完成了Co₃TeO₆前驅(qū)體的制備和樣品穩(wěn)定性能的測試。

參考文獻(xiàn)

【1】Drozdov A P, Eremets M I, Troyan I A, et al. Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system[J]. Nature, 2015, 525(7567): 73-76.

【2】Drozdov A P, Kong P P, Minkov V S, et al. Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures[J]. Nature, 2019, 569(7757): 528-531.

【3】Snider E, Dasenbrock-Gammon N, McBride R, et al. Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride[J]. Nature, 2020, 586(7829): 373-377.

【4】Dias R P, Silvera I F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen[J]. Science, 2017, 355(6326): 715-718.

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41535-020-00294-2

來源：中山大學(xué)化學(xué)學(xué)院

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/24/05e610c49c/

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