【正文】 物理量非常困難，對(duì)技術(shù)要求非常苛刻，致使 相 應(yīng)的 研究還未真正系統(tǒng)地展開(kāi)。近年來(lái)，金剛石對(duì)頂砧上微區(qū)測(cè)量電路集成和絕緣隔層技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，基于集成理念的電導(dǎo)率、阻抗譜以及霍爾效應(yīng)等測(cè)量 技術(shù) 相繼取得突破，高壓下電導(dǎo)率、載流子濃度、遷移率和極化率 等物理量 的原位測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行高壓下電輸運(yùn)性質(zhì)的創(chuàng)新研究條件已經(jīng)具備。 高壓下原位電輸運(yùn)性質(zhì)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是獲得準(zhǔn)確的物理量變化規(guī)律和物理量之間 的 定量聯(lián)系。本課題將以物理現(xiàn)象豐富的 IIVI 族化合物為對(duì)象，利用 我們自己發(fā)展的 高壓下原位電阻率、霍爾效應(yīng)、阻抗譜測(cè)量技術(shù)，系統(tǒng)深入地研究高壓下不同溫度和電磁場(chǎng)環(huán) 境中化合物的電輸運(yùn)過(guò)程以及相關(guān)物理量的變化規(guī)律，揭示高壓下電輸運(yùn)過(guò)程的物理本質(zhì)，豐富和發(fā)展現(xiàn)有電輸運(yùn)理論。 5） 輕元素化合物體系中超高壓新相的產(chǎn)生與新物質(zhì)的合成 輕元素化合物體系中蘊(yùn)含著豐富的高壓相，這些高壓相多具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)，是發(fā)現(xiàn)超硬多功能材料的重要來(lái)源。在輕元素 硼 碳 氮化合物中尋找超硬高壓相材料，同時(shí)揭示這些超硬材料新的功能性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)和人工合成，一直是令人關(guān)注的問(wèn)題。最基本的物理問(wèn)題是體系中有哪些高壓穩(wěn)定相，各種相之間的結(jié)構(gòu)如何變化以及各相具有哪些物理性質(zhì)等等。通過(guò)理論 計(jì)算，確定在一定外界壓力、溫度條件下的穩(wěn)定組份及相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)，在一定的范圍內(nèi)建立該體系的多維相圖，并預(yù)測(cè)新相的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和物理性質(zhì)，建立某些宏觀物理性質(zhì)與理論可計(jì)算參數(shù)間的關(guān)系，為從該體系中篩選出性能優(yōu)異的新型功能材料提供理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)上找到滿足理論上所設(shè)計(jì)成分的反應(yīng)物，尋找合適的觸媒，探索高溫高壓下宏觀量合成這些高壓相的實(shí)驗(yàn)方法，合成出新型超硬多功能材料。 這些新型輕元素高壓相化合物的設(shè)計(jì)、合成與物性研究 ， 既有幫助人們從微觀層次上認(rèn)識(shí)該類功能材料，加深對(duì)材料結(jié)構(gòu)與其性能之間關(guān)系更深刻的物理理解等 方面的科學(xué)意義，又有潛在的應(yīng)用背景。該領(lǐng)域的研究存在著許多機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)，目前國(guó)際上的相關(guān)研究剛剛起步，可望取得一系列重要的原創(chuàng)性研究成果。 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo)： 爭(zhēng)取 在 超 高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)研究領(lǐng)域做出 若干 重要原創(chuàng)性 的 工作 ，獲得一批國(guó)際水平的研究成果， 初步形成我國(guó)有特色的高壓科學(xué)研究體系， 造就一支 具有創(chuàng)新思維 的 高壓研究 隊(duì)伍，使中國(guó)高壓研究的總體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列， 在活躍的國(guó)際高壓界占有一席之地。 五年預(yù)期目標(biāo)： 為完成總體目標(biāo)，集中進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究工作： 1）高壓下凝聚體系中分子的鍵合與解離， 2）高壓下強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系中 d 電子的行為， 3）高壓下凝聚體系的電輸運(yùn)特性， 4）高壓下小尺寸體系的結(jié)構(gòu)演化， 5）高壓新相的產(chǎn)生與截獲。 揭示超高壓下典型分子固體中分子解離的機(jī)制， 探索可能的產(chǎn)生金屬氫的新 途徑 ； 獲得 不同壓力 溫度 組分空間中，新型 3d 族強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的結(jié)構(gòu)特征 ，揭示 體系 磁有序、軌道有序、電荷有序的 基本規(guī)律 ；揭示高壓下 準(zhǔn)一維納米 體系的結(jié)構(gòu)演化以及力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)隨壓力的變化規(guī)律 ， 總結(jié)在納米尺度、空間受限條件下壓致分子聚合規(guī)律； 揭示高壓下 II－ VI 族化合物的電輸運(yùn)特性的物理機(jī)制， 詮釋高壓下 電子 馳豫、平均自由程 、有效質(zhì)量的新內(nèi)涵，檢驗(yàn) 與發(fā)展 已有電輸運(yùn) 模型。完成 3d 族（ Cu 基 、 Fe 基 、 Mn 基等） Mott 有序化磁電新材料、 35種有代表性的新型 硼 碳、碳 氮 和 硼 碳 氮超硬多 功能晶體的高壓合成，探索截獲特殊高壓相的新方法。 預(yù)期的科學(xué)研究成果： 擬在 SCI 收錄的國(guó)內(nèi)外著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文 300 篇，撰寫(xiě) 1－ 3 部專著，申報(bào)高水平的獎(jiǎng)勵(lì) 3－ 5 項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利 5－ 10 項(xiàng)。 同時(shí)培養(yǎng)高壓領(lǐng)域的拔尖人才以及學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)博士研究生 50 名、碩士研究生 100 名。 三、研究方案 1） 總體研究思路 學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目突出創(chuàng)新， 注 重 發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新物質(zhì)，創(chuàng)建新理論，形成有特色的高壓科學(xué)研究體系。選擇有重大科學(xué)意義的若干國(guó)際高壓科學(xué)前沿基礎(chǔ)問(wèn)題作為研究的重點(diǎn)，集成優(yōu)勢(shì)，實(shí)行跨領(lǐng)域的緊密合作，緊緊圍繞超高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)變化規(guī)律這一核心課題，從構(gòu)建研究體系入手，本著從單組元到多組元、從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系、從小尺寸到大尺寸 體系 的原則，選擇具有代表性、倍受關(guān)注的物質(zhì)體系 作為 研究對(duì)象，確定高壓相結(jié)構(gòu)，建立高壓相之間的聯(lián)系，獲得超高壓下的相變過(guò)程與規(guī)律。利用超高壓下原位測(cè)量實(shí)驗(yàn)和高壓理論， 利用我們自己獨(dú)特的研究思路， 深入認(rèn)識(shí) 凝聚態(tài)物質(zhì) 在超高壓下新的原子空間分布和新的電子狀態(tài)以及微觀相互作用規(guī)律， 探索 超高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)演化過(guò)程以及特殊高壓相的截獲方法 ，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo) 。 技術(shù)途徑 技術(shù)途徑包括實(shí)驗(yàn)途徑和理論途徑兩個(gè)部分，概括為下面框圖。 實(shí)驗(yàn)途徑： 首先利用壓機(jī)（金剛石對(duì)頂砧、大壓機(jī)）產(chǎn)生高壓，再利用多種原位微區(qū)精密的測(cè)量手段研究高壓下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，探索合成新材料的機(jī)理。具體地， 利用高壓原位 x 光衍射實(shí)驗(yàn)，研究高壓下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)；利用金剛石對(duì)頂砧 集成測(cè)量電路，研究超 高壓下物質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)；利用原位高壓光譜學(xué)方法研究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)，聲子 狀態(tài)以及光學(xué)性質(zhì) 等；利用高壓 Mossbauer新規(guī)律、新理論 第一原理： 電子結(jié)構(gòu) 力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì) 實(shí)驗(yàn)研 究 高溫高壓材料設(shè)計(jì) 理論研究 金剛石對(duì)頂砧 大壓機(jī) 產(chǎn)生高溫高壓 多種高壓原位微區(qū)精密的測(cè)量手段：結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 新材料合成機(jī)理的探索 構(gòu)建研究體系； 模擬計(jì)算： 壓力溫度條件下結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定結(jié)構(gòu) 譜、 X 光非彈性散射方法，研究原子電子狀態(tài)的變化；采用大體積高壓設(shè)備如六面頂壓機(jī)，探索新的觸媒，開(kāi)展系統(tǒng)的高溫高壓合成實(shí)驗(yàn)研究，合成出理論上設(shè)計(jì)出的新型 高壓相 材料。 理論途徑： 首先建立研究體系， 利用蒙特卡羅、分子動(dòng)力學(xué)、從頭算分子動(dòng)力學(xué)等方法研究超高壓力下凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)相變及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程； 再利用第一原理，研究高壓相的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電子狀態(tài)的變化，以及光學(xué)、電學(xué)以及力學(xué)等性質(zhì)等。 通過(guò)實(shí) 驗(yàn)研究與理論研究的結(jié)合，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，總結(jié)新規(guī)律，發(fā)展新理論，實(shí)現(xiàn)五年預(yù)期的目標(biāo)。 2） 創(chuàng)新點(diǎn)與特色 （ 1） 研究體系的構(gòu)建： 從單組元到多組元，從常規(guī)體系到強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，從小尺寸到大尺寸 體系 ，選擇具有代表性的、倍受關(guān)注的凝聚態(tài)物質(zhì)作為研究對(duì)象，研究體系物理現(xiàn)象豐富。 （ 2） 研究方法和技術(shù)： 實(shí)驗(yàn)技術(shù)上有創(chuàng)新。利用我們 自己發(fā)展的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的、國(guó)際領(lǐng)先的高壓實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，進(jìn)行多種高壓下原位、微區(qū)、精密的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的測(cè)量。 例如，我們擁有百萬(wàn)大氣壓下原位電學(xué)測(cè)量技術(shù)，這是目前他人無(wú)法做到的；我們還 率先建立了世界上第一臺(tái) 激光加熱原位高溫高壓 Raman 光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 使得我們能夠在更寬廣的壓力和溫度范圍內(nèi)，原位研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化；我們還發(fā)展了 X 光 單晶、多晶 衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ，發(fā)展了超晶胞 Rietveld 方法，具備了精確確定高壓下復(fù)雜體系原子位置的能力。目前項(xiàng)目組 擁有能夠同時(shí)進(jìn)行高壓下物質(zhì)結(jié)構(gòu)和彈性、電學(xué)、光學(xué)等物理性質(zhì)研究的、世界上先進(jìn)的集成原位超高壓技術(shù)。 （ 3） 研究思路： 我們 將采用與他人不同的研究思路進(jìn)行研究。 （ 4） 科學(xué)問(wèn)題： 將 科學(xué)問(wèn)題定位 在 電子狀態(tài)、 原子間鍵合方式 及其動(dòng)力學(xué)過(guò)程等深層次上， 揭示壓力效應(yīng)的物理本質(zhì) ，獲得普遍規(guī)律 。