【摘要】 通过室温下金刚石砧室 (DAC) 中的同步辐射 X 射线衍射 (XRD) 和密度泛函理论 (DFT) 研究了 Cr3C2 在高压下的状态方程 (EOS)。

压力可以缩短原子距离，改变电子壳层状态和晶胞结构，进而改变其结构和物理化学性质，如高压结构相变、高压强度、高压织构。[1]高压科学是一门交叉学科，它与物理学、材料科学、地球科学、化学等学科相结合，极大地促进了其应用和发展及其相关领域，是基础研究和应用科学研究的重要领域。

 

Cr3C2在高压下的物理化学性质与其晶体组成密切相关。因此，深入了解Cr3C2的晶体组成有助于提高Cr3C2的科学使用。虽然已经对Cr3C2进行了研究[2-4]，但对于它的高压状态方程还没有直接的实验测量和理论计算。

 

为此，采用角色散X射线衍射法，在以硅油为压力介质的金刚石顶压室(DAC)中研究了Cr3C2在压力高达44.5 GPa时的状态方程，并基于密度泛函理论计算了压力高达50 GPa时Cr3C2的状态方程。通过室温下金刚石砧室 (DAC) 中的同步辐射 X 射线衍射 (XRD) 和密度泛函理论 (DFT) 研究了 Cr3C2 在高压下的状态方程 (EOS)。

 

XRD分析表明，在44.5 GPa的最大压力下仍保持斜方结构。 XRD数据显示体积模量为K0 = 292(18) GPa，其中K 0 0 = 3.25(0.85)。此外，还通过第一原理计算研究了Cr3C2的高压压缩行为。得到的Cr3C2的体积模量为323(1)GP。

Fig. 1. Representative powder XRD of Cr3C2 in ambient conditions witheach peak marked by corresponding Miller indices, and x-ray wavelength l = 1.5406 Å.[1]

 

铜靶材的X射线衍射实验在四川大学分析测试中心完成。 XRD 仪器型号为 EMPYREAN，2q 角范围为-110°～162°，最小可控步长为 0.0001°，分辨率为 FWHM = 0.028°，波长 1.5406 Å。

 

图 1显示了环境条件下 Cr3C2 粉末的代表性 XRD 图，推导出的晶格参数分别为 a = 5.532(0.001) Å、b = 11.500(0.002) Å c = 2.8318(0.0003) Å。在高压 XRD 实验中，使用了直径为 300 µm 的改进型毛钟 DAC。

 

将 T301 垫片预先压入约 35 µm，并通过激光制作直径为 120 µm 的样品孔。我们使用硅油作为压力介质。将直径为 10 µm 的红宝石芯片放置在样品中心顶部，用作压力传感器。

 

Fig. 22. Representative XRD patterns of Cr3C2 under different pressures[1]

 

使用fit2d软件对获得的衍射图进行分析。实验最大压力为44.5 GPa，压力值由红宝石传感器给出。

 

Cr3C2在不同压力下的衍射图如图2所示。在整个压力范围内可以看到(011)、(101)、(121)、(230)、(151)几个峰。斜方结构可维持至 44.5 GPa 的最大压力。

 

工作中，在室温下通过 XRD 研究了在高达 44.5 GPa 的压力下准静态压缩下改进的 Mao-Bell DAC 中 Cr3C2 的 EOS。 Cr3C2 的斜方结构在最高压力 44.5 GPa 下保持稳定，没有相变。

 

 

XRD 的体积模量为 292(18) GPa，其相对于压力的一阶导数为 3.25(0.85)。计算得出的体积模量为 323(1) GPa。结果表明，GGA中计算的体积模量略高于实验结果。

 

[1]Xiong, LunLi, Qiang  Yang, ChengFu Xie, QingShuang Zhang, JunRan A high-pressure study of Cr3C2 by XRD and DFT*Chinese Physics B  2020 2020/07/01  - Chinese Physical Society and IOP Publishing Ltd- 086401- 8- 29- 1674-1056

[2] Reichl W and Hayek K 2004 J. Catal. 222 53

[3] Zhao H F, Zhu L H and Huang Q W 2005 Rare Met. Mater. Eng. 34 82

[4] Furukawa M, Sato M, Nakano O, Kitada T, Hiraishi H and Yamagami Y 1989 Nippon Tungsten Rev. 22 73

 

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