氮的高压等结构相变

最近，四川大学原子与分子物理研究所高压科学与技术实验室雷力研究员指导硕士研究生范春梅通过高压拉曼散射和同步辐射X射线衍射实验，结合第一性原理计算方法和CALYPSO结构搜索技术，发现分子晶体氮存在一种与氮分子取向相关的高压等结构相变（High-pressure Isostructural Transition, HPIT），该发现为我们深入了解简单双原子分子的高压演化机制提供了非常有价值的信息。 

研究人员精心设计了6条P-T路径（图1），以高压拉曼散射和高压同步辐射X射线衍射为实验观察手段，判定单斜结构的λ-N2是目前为止实验上发现的最稳定的分子晶体相，它可以在30-176 GPa条件下稳定存在。虽然λ-N2的晶体结构没有发生改变，仍为空间群为P21/c的单斜结构（图1插图），但是在50 GPa附近，λ-N2的高波段拉曼振子频率（图2）、晶格常数（a、b、c、β）和原子体积V（图3）都出现了明显的不连续现象。第一性原理计算分析也表明，在~50 GPa附近的晶胞参数、焓差、N≡N键长、能带随压力变化关系的确存在异常行为（图3）。因此，从严格意义上说，在异常点前后不是完全相同的一个固态分子相，分子晶体λ-N2实际上是通过氮分子取向发生轻微的旋转在高压下发生了高压等结构相变（High-pressure Isostructural Transition, HPIT）。此外，研究人员在77 K、118 GPa条件下发现了一种新氮相——η’-N2（图1）。

相关研究成果近日发表于ChinesePhysicsLetters杂志。

图2：（a）λ-N2的高压拉曼光谱，（b）相变点50 GPa附近，氮的拉曼振子频率随压力的变化关系，（c）λ-N2各拉曼模的原子振动示意图。

图3：（a）分子晶体氮的P-V曲线图，（b）λ-N2的P-V曲线，（c）晶格参数β角随压力的变化关系。
论文链接：http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/2/026401