Синтез материалов при терапаскальском статическом давлении

Jun 05, 2023

Nature, том 605, страницы 274–278 (2022 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

27 цитат

218 Альтметрика

Подробности о метриках

Теоретическое моделирование предсказывает очень необычные структуры и свойства материалов в условиях экстремального давления и температуры1,2. До сих пор их синтез и исследование при давлениях выше 200 гигапаскалей сдерживаются как технической сложностью экспериментов при сверхвысоких давлениях, так и отсутствием соответствующих in-situ методов анализа материалов. Здесь мы сообщаем о методологии, разработанной для проведения экспериментов по статическому сжатию в терапаскальном режиме с лазерным нагревом. Мы применяем этот метод для реализации давлений около 600 и 900 гигапаскалей в двухступенчатой ​​ячейке с алмазными наковальнями с лазерным нагревом3, получения рений-азотного сплава и достижения синтеза нитрида рения Re7N3, что, как показывает наш теоретический анализ, является всего лишь стабилен при экстремальном сжатии. Полная химическая и структурная характеристика материалов, выполненная с помощью синхротронной монокристаллической рентгеновской дифракции на микрокристаллах in situ, демонстрирует возможности методологии по расширению кристаллографии высокого давления до терапаскального режима.

На состояние вещества сильно влияют изменения химического состава и внешних параметров, таких как давление и температура, что позволяет настраивать свойства материала. Это порождает различные явления, имеющие отношение к широкому спектру научных дисциплин и технологических приложений, от фундаментального понимания Вселенной до целенаправленного проектирования передовых материалов. Известно, что сжатие облегчает переходы металл-изолятор4, сверхпроводимость5 и новые «супер» состояния материи6. Недавние разработки в технологии ячеек с алмазными наковальнями и, в частности, изобретение двухступенчатых и тороидальных ячеек с алмазными наковальнями (dsDAC и tDAC)3,7,8 позволили совершить прорыв в синтезе материалов и изучении структуры-свойства. взаимоотношения при высоких и сверхвысоких давлениях. Совсем недавними примерами являются открытие нового аллотропа азота9, bp-N, который разрешил загадку в нашем понимании поведения элементов семейства пниктогенов при высоком давлении, а также синтез множества новых нитридов и полинитридов переходных металлов10,11. 12,13,14,15, в том числе металло-неорганические каркасы11,15, которые представляют собой новый класс соединений с открытой пористой структурой при мегабарном сжатии. Решение и уточнение кристаллических структур твердых тел, синтезированных непосредственно из элементов в обычных ЦАП с лазерным нагревом10,11,12,13,14,15 при давлениях до двух мегабар12,16, стало возможным благодаря синергии нашего опыта и при создании давлений в несколько мегабар3,17,18 (подробнее см. раздел «Дополнительная информация» «Краткий обзор метода двухступенчатого DAC (dsDAC)») и в монокристаллической рентгеновской дифракции (XRD) при сверхвысоких давлениях, которые были впервые появился несколько лет назад19,20. Поскольку высокотемпературный синтез при высоком давлении стал хорошо зарекомендовавшим себя методом открытия материалов, давно хотелось расширить исследования до режима ТПа.

Здесь мы сообщаем о методологии экспериментов по высокотемпературному синтезу под высоким давлением, которая расширяет пределы кристаллографии высокого давления до терапаскальского диапазона. Для достижения желаемого давления мы объединили конструкции тороидальных7,8 и двухступенчатых упоров3,17,18. Сплав рений-азот и нитрид рения Re7N3 были синтезированы в трех различных экспериментах в системе Re-N (дополнительная таблица 1) в dsDAC с лазерным нагревом. Их полная структурная и химическая характеристика была выполнена in situ с помощью рентгеноструктурного анализа монокристаллов.

dsDAC были приготовлены в соответствии с процедурой, описанной ниже. Обычные алмазные наковальни с одной фаской типа Boehler-Almax и калеттой диаметром 40 мкм были фрезерованы с помощью фокусированного ионного пучка (FIB) для создания тороидального профиля на поверхности калетты и формирования миниатюрной калетты диаметром около 10 мкм. в его центре (Расширенные данные, рис. 1). В качестве прокладки использовалась полоска Re-фольги толщиной 200 мкм, на которой предварительно в несколько приемов производились отпечатки. Итоговый отпечаток диаметром 10 мкм (выполненный с помощью наковальнь с тороидальным профилем) имел толщину около 4 мкм (подробно процедура вдавливания описана в легенде к рис. 1). В центре отпечатка было сделано отверстие диаметром примерно 6 мкм с помощью FIB или сильно сфокусированного импульсного ближнего инфракрасного лазера для формирования камеры давления. Схема сборки dsDAC, установленной в BX-90 DAC21, оснащенной тороидальными алмазными наковальнями, показана на рис. 1. диаметром от 12 до 14 мкм помещали на кончик калетты диаметром 10 мкм (расширенные данные, рис. 1, 2). Полушария были достаточно маленькими, чтобы приклеиться к тороидальным наковальням, но в одном случае (dsDAC № 2, дополнительная таблица 1) для их фиксации использовался парафин. Несколько зерен порошка рения (чистота 99,995%, Merck) были помещены в камеру высокого давления, которая затем была заполнена азотом (N2) под давлением около 1,4 кбар с использованием газозагрузочной установки высокого давления22 в Байеришском геоинституте (BGI). , Байройт, Германия), закрыты и находятся под давлением.