导电物质输运性质的高温高压原位测试技术

Seebeck系数直接与物质的电子结构与能带结构相关，可作为研究高压效应对物质电子结构影响的一个探针。高压原位输运性质研究一直是物理学、材料学以及地球科学研究的热点问题。本项目拟将硬质合金碳化钨（WC）顶锤、六面顶压机技术相结合，实现没有二级增压的超高压（压力超过15 GPa、温度2000 K）实验技术，解决高温高压下原位测量Seebeck系数、电阻率等关键实验技术，建立毫米级物质高温高压下原位Co基高温氧化物Ca3Co4O9输运性质-电导率、Seebeck系数测量的新实验方法和技术。本项研究将为高压科学提供新的技术支撑，为热电材料研究提供新的研究思路和方法，为进一步认知导体物质输运性质及其理论模型的建立、验证和发展提供有力的科学依据。

导体物质输运性质（电导率和塞贝克系数）在高压下的变化，是研究导体物质高压效应的直接探针。发展大腔体高压原位物性测试技术，一直是高压科学研究的重要内容。在本项目资助下，利用有限元软件计算模拟优化六面顶高压产生装置硬质合金压砧的力学结构、及其相匹配的密封传压介质材料，成功实现了不使用二级压砧下的立方体高压样品腔体压力高达15万大气压强（GPa），将该装置原有的压力极限提高2.5倍。该项结果必将有力地促进我国从超硬材料生产大国向超硬材料强国迈进。研究如何实现在高压样品腔体中温度场及其温度梯度的精确控制，以及高压条件下的导体物质输运性质的测试回路，成功实现高温高压下输运性质塞贝克系数和电阻率的原位测试技术。该结果为大腔体高压原位测试技术提供了新的实验技术支撑，促进了高压科学的研究。研究了热电材料Ag2Te、As2Te3、In4Sn3等物质在高压下的结构变化，发现并确定了多个高压新相及其晶体结构。研究了Ag2Te高压高温原位输运性质变化，发现压力可有效提高Ag2Te热电性能；首次在三维拓扑绝缘体Ag2Te中发现了压力可实现体帯隙的增加，为拓扑绝缘体的实际应用开辟了新的方向；首次实验证实了在Ag2Te中高压相中理论预言的压致金属相变。利用该项目获得的高压技术，研究了多种过渡金属硼化物的制备及物性，首次确定了广泛争议的WB4的晶体结构应该为W原子缺失的WB3结构，并得到WB3不是超硬材料的原因是由于W-B原子之间的电子转移，弱化了B-B层的SP2键，最终影响WB3硬度；首次成功制备出理论预言MoB2不稳定存在的亚稳相α-MoB2，并得到该物质的维氏硬度值为15GPa；研究了MoB2中α与β相的硬度差异及其物理机制，提出了在过渡金属硼化合物中构建三维或者准三维网状结构，为设计新型多功能超硬材料的一个新思路。