高压下Ca3N2的结构相变研究

近年来，稀土倍半氧化物（如Sc2O3、Gd2O3、和Sm2O3等）由于在高压下有着非常丰富的结构相变及物理内涵而引起了科学家的广泛兴趣，已经成为当前高压科学研究的热门课题之一。Ca3N2在常压下具有反稀土倍半氧化物结构，因此，研究Ca3N2高压下的结构行为对于理解和丰富稀土倍半氧化物的高压行为具有非常重要的意义。

正是由于Ca3N2在常压下具有反稀土倍半氧化物结构，所以人们普遍认为Ca3N2应与大多数稀土倍半氧化物的高压相变序列相似。然而，最近的一篇理论文章提出了Ca3N2的高压相变序列是anti-C → γ-Ca3N2 → anti-B → anti-A → λ-Ca3N2，这样的高压相变顺序并没有在稀土倍半氧化物中发现过。为了明确Ca3N2的高压行为，吉林大学超硬材料国家重点实验室崔啟良教授的科研小组与BSRF高压站合作对Ca3N2进行了高压同步辐射X-ray衍射实验（图1）。通过对Ca3N2实验光谱的分析，他们发现了Ca3N2在40GPa范围内发生了两次结构相变，相变压力分别为9.6GPa和19.5GPa。他们确认新出现的两个高压相分别为单斜anti-B结构和六角anti-A结构（图2），从而确定了Ca3N2在高压下的相变序列为anti-C → anti-B → anti-A。这个高压相变序列与大多数稀土倍半氧化物的相变序列相似，该小组所做的高压拉曼实验也证实了同步辐射X-ray衍射实验结果。

图1 Ca3N2在不同压力下的X-ray衍射光谱。

图2  Ca3N2在高压下的三个结构相：（a）立方anti-C型结构；（b）单斜anti-B型结构；（c）六角anti-A型结构。

该项研究发现了Ca3N2在高压下的两次结构相变并确认两个高压新相的晶体结构，完善了其高压相变序列，否定了以前的理论预言。相关的研究成果于2010年10月7日发表在《Journal of  Physics Chemistry C》上。Ca3N2中两个新结构的提出为深入探索其物理性质及发掘其潜在应用提供了基础，具有重要意义。

发表文章：

J. Hao1, Y. W. Li1, J. S. Wang1, C. L. Ma1, L. Y. Huang1, R. Liu1, Q. L. Cui1,*, G. T. Zou1, J. Liu2, and X. D. Li2, Experimental determinations of the high-pressure crystal structures of Ca3N2. Journal of Physics Chemistry C，2010 (114) 16750–16755.

1 State Key Laboratory of Superhard Materials,Jilin University, Changchun 130012, P. R. China

2 Beijing Synchrotron Radiation Laboratory, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, P. R. China

To whom correspondence should be addressed. E-mail: cql@jlu.edu.cn  (Qiliang Cui).