PNAS：哈工大破解非晶硒壓致晶化過程中電學性質難題

 哈爾濱工業大學教授劉浩哲帶領的高壓研究團隊與美國能源部阿崗國家實驗室、哈佛大學和卡內基研究院地球物理實驗室，在共同開展非晶硒（a-Se）在壓力下的性質研究時，成功發現了“壓力引起的體積膨脹現象”，研究結果解決了非晶硒在高壓下所顯示的異常電學性質這一長期難題，并揭示了新的同步輻射X射線技術對于研究材料在條件下性質的重要作用。這一突破性成果近期在美國《國家*院刊》（PNAS）上發表后，受到物理和材料研究領域的廣泛關注。
 
    材料在壓力、溫度和磁場等條件下的行為是材料科學的一個重要研究領域，同時也是發展新型材料的關鍵所在。20世紀70年代，人們發現非晶硒（一個檢驗非晶材料壓致效應的理想材料）在接近十萬大氣壓壓力下晶化為三方結構晶體（t-Se）。然而，非晶硒和三方硒在相同壓力下的電阻卻存在明顯差異。在晶化壓力下，非晶硒的原位電阻測試顯示了其電阻的不連續跳躍，這一過程與三方硒的電阻相比減小了2～3個數量級。更為奇特的是，當壓力保持在晶化壓力時，晶化過程中硒的電阻隨時間的增加而增大。這種在非晶硒與三方硒中發生的在電阻和結構之間的差異，引起了研究人員的興趣，從而促使他們進一步利用X射線衍射（XRD）技術對壓致晶化的過程開展研究。
 
    從2007年開始，使用在同步輻射X射線上發展的新技術，劉浩哲與合作伙伴在美國能源部阿崗國家實驗室的*光子源（APS）研究了非晶硒在壓力下的性質，發現了非晶硒在高壓下未曾預料的動態晶化過程和反常的體積膨脹。他們利用新開發的高壓原位X射線三維成像技術，研究了這種異常現象的起源。同時，這一新技術提供了直接測量非晶材料狀態方程的新方法。
 
    劉浩哲說：“應用和發展X射線三維成像技術在DAC內*次觀測到高壓下樣品原位的三維影像是非常令人激動的。更重要的是，X射線顯微成像技術揭示了晶化過程中樣品摩爾體積隨時間的演化和體積膨脹的新奇現象。這種壓致體積膨脹與化學成份變化所造成的現象是截然不同的，如沸石的體積反常膨脹是由于從傳壓介質中吸收了水分而導致的水合作用。與之形成鮮明對照的是，在單質硒中晶化過程的體積反常膨脹，反映了其局域結構在非平衡條件下的拓撲漲落。”