高压科学与技术研究团队
一、实验室介绍：
高压科学与技术实验室是依托四川大学原子与分子物理研究所建立的， 前身是1983年成都科技大学(现为四川大学)和中国工程物理研究院流体物理研究所联合创建的高温高压物理研究所。
1995年被四川省教委评为省重点实验室。
1985年开始招收国家重 点学科原子与分子物理专业的硕士与博士生。
2005年筹建国内最早的"高压科学与技术"专业的硕士与博士点， 并已获得教育部批准。
2006年开始招收高压科学与技术专业的硕士与博士生。
2013年7月四川大学高能量物理及技术教育部重点实验室通过教育部专家验收，高压科学与技术实验室为重要组成部分之一。
二、课题组主要成员：
贺端威教授：博导，国内高压科学与技术带头人，四川省学术与技术带头人，国内外超硬材料著名专家，科研经费与成果转化产值逾五千万。
主要研究方向：大腔体静高压技术，
高压下的弹塑性，新型超硬/纳米块体材料的高压制备与应用
个人简历：1998年获中科院物理所凝聚态物理博士学位，先后在日本国立材料科学研究所、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、普林斯顿大学、斯伦贝谢公司研发部等单位从事研发工作。
2005年在四川大学原子与分子物理研究所工作。先后担任四川大学原子与分子物理研究所所长、高温高压物理（川大-中物院联合）研究所所长（四川大学方）、《高压物理学报》副主编、以及美国国民油井公司高级顾问等职。
2006年-2021年，作为项目负责人完成及承担国家自然科学基金、重点研发计划、重大/重点专项、国际合作以及企业委托研发项目等70余项，合计科研经费近4000万元。
在Advanced Materials、PNAS、PRL、PRB等刊物上发表论文280余篇，被引用4000余篇次，国内外授权发明专利30余项。在超硬复合材料、大腔体静高压技术等领域所主导研发的科研成果，已在国内外多家企业得到推广应用，年产值逾亿元。
主要工作经历：1999-2000，日本国立材料科学研究所，日本科技厅资助学者 (STA Fellow)
2000-2003，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室中子散射中心 (Postdoc Research Associate)
2003-2004，美国普林斯顿大学地学系 (Research Staff Member)
2004-2006，Smith International, Inc./MegaDiamond研发部
2006—— ，四川大学原子与分子物理研究所教授、博士导师、高压科学与技术学术带头人
彭 放 教授 博导，中国晶体学会极端条件晶体学委员会委员，致力于高压科学与技术及超硬材料 30 余年。
主要研究方向：高压下新材料的合成，新型超硬材料，高压科学实验技术，超硬刀具
个人简历：1982年毕业于成都科技大学物理系，毕业留校工作自今。
1993 年获得原子与分子物理专业硕士学位,1997 年获得原子与分子物理专业博士学位。
2007-2008 在美国华盛顿特区卡内基研究所和芝加哥阿冈国家实验室先进光源中心作访问学者。
从事科研和教学30多年，主要研究领域为高压物理、凝聚态物理和原子与分子物理。先后从事高压原位下的物质性质研究；超硬材料的合成与应用研究；六面顶压机高压设备温、压控制技术研究；二级6-8模大腔体静高压技术研究。
发表论文80余篇，其中在Advanced Materials，Journal of Applied Physics，Applied Physics Letters，The European Physical Journal B等国际刊物上发表SCI收录论文40余篇
作为项目负责人和主研承担了国家自然科学基金项目、四川省科委基金项目、教育部重点实验室基金等项目 20余项。
主要工作经历：1978-1982年于成都科技大学（现四川大学合校之一）物理系获得学士学位，毕业留校工作至今。
1990-1993 年获得原子与分子物理专业硕士学位。
1993-1997 年获得原子与分子物理专业博士学位。
2007-2008 在美国华盛顿特区卡内基研究所和芝加哥阿贡国家实验室先进光源中心作访问学者。
雷力研究员 ：博导，《光散射学报》常务副主编和编辑部主任，中国物理学会光散射专业委员会委员，中国化学学会高压化学专业委员会委员。
主要研究方向：极端条件光散射谱学新材料的高压合成与表征
个人简历：于四川大学获国内首个“高压科学与技术”专业（物理学）博士学位（2009年），日本爱媛大学G-COE博士后（2009-2012年），四川大学引进人才（2012年)。
入选四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才。
现任《光散射学报》常务副主编和编辑部主任，《高压物理学报》编委，中国物理学会光散射专业委员会委员，中国化学学会高压化学专业委员会委员。
主要从事高压物理学研究，利用极端条件谱学方法探索高能量密度物质（聚合氮、金属氢）的演化机制。
主持国家自然科学基金4项、四川大学“青苗”计划等科研项目20余项。
主要工作经历：
提出“广义压强”概念，并给出物质在广义压强下的状态方程
在自主设计搭建的极端条件光谱实验平台中发现“熊猫氮” (Panda-N)
发现新型高压化学反应——“高压固相复分解反应”（HPSSM）与“高压偶联反应”（HPC）
课题组近照：
高压实验室
贺老师组
雷老师组
三、科研平台：
静高压实验平台（大腔体装置）
六面顶大腔体压机
由四川大学研制的超高压大腔体压机设备，其技术是在“国家自然科学基金科学仪器基础研究专项”的项目资助下开发。该设备具有自主知识产权，可广泛应用于地球深部的高压科学研究、材料的高温高压合成、凝聚态物质在高温高压极端条件下的行为与物性研究。目前在此设备上做出了一系列高水平成果，发表SCI论文逾百篇。该设备技术水平国际领先，科研成果产业化转换逾三千万元。
一级增压特色组装：通过铰链式六面顶压机能够获得持续、稳定的高温、压条件，并可对温度、电阻等参数进行原位测量。
二级6-8型大腔体静高压增压装置（2006年自主研发）：其基本构成分为两部分：一级压砧和二级顶砧。
根据八面体传压介质边长与二级压砧截角边长的配比，标准组装被命名为10/4组装、14/8组装和36/20组装。温度和压力标定实验表明，10/4组装可实现22 GPa，2200 K的高温高压条件，14/8组装和36/20组装可实现16 GPa，2500 K的高温高压条件。
极端条件拉曼实验平台（ESL）
四川大学高压科学与技术实验拥有达到国际先进水平的极端条件科学平台（ESL）。ESL同时集成高温高压光谱模块、LHDAC模块、DAC封垫激光打孔模块、低温高压DAC加载模块。
四、最新科研成果：
贺端威老师团队：
导电高韧块体金刚石-TiC的成功制备
近日，四川大学原子与分子物理研究所高压科学与技术实验室贺端威教授团队，通过独特的高温高压合成技术首次制备出电导率达837 S·m−1，断裂韧性达11.6 MPa·m1/2的高电导率、高韧性的大块体金刚石-TiC复合材料。同时，该材料维持了765℃的热稳定性和40GPa左右的维氏硬度，在单一材料中实现了罕见的力学、电学和热性能的协同增强。块体金刚石-TiC复合材料有望应用于高应力环境中的电气应用。相关研究成果于近日发表于“Journal of the European Ceramic Society”（ DOI:.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2024.02.042）。该论文的第一作者为博士研究生周亮，四川大学原子与分子物理研究所为论文的第一作者单位。
虽然坚韧、耐热、易于加工且同时具有导电性的超硬陶瓷对一系列应用极具吸引力，但在单一材料中实现所有这些特性的组合仍然极具挑战性，因为这些物性通常存在内禀性互斥。在这里，我们使用了两种前驱体：金刚石和TiH2的粉末混合物、镀钛金刚石。这避免了钛粉在直接用于材料合成时，容易氧化和团聚的困境。基于高温高压技术，利用高压抑制晶粒粗化；利用高温，原位反应生成TiC，同时相互键合、填充缝隙。在优化温压条件下制备的烧结金刚石-TiC表现出非凡的性能协同，其断裂韧性高达11.6 MPa·m1/2，电导率高达837 S·m−1，同时，热稳定性得到一定程度增强，空气中起始氧化温度达765 °C。 这些实验结果最终证明，通过反应原位生成的TiC，包覆金刚石并相互键合，能够协同增强金刚石复合材料的韧性、导电性和热稳定性。
本工作扩展了传统金刚石复合材料的性能，高电导率、高韧性的金刚石-TiC有望成为特定高应力环境下电气应用的良好候选材料，并将推动未来对导电、高强韧陶瓷材料的进一步研究。
镀钛金刚石及金刚石+TiH2混粉
5.5 GPa，不同温度下保温 30 分钟，镀钛金刚石烧结出的金刚石-TiC复合材料的 XRD 图谱。插图显示了石墨化在 1250 ℃ 开始。
合成的金刚石-TiC样品实物图，抛光面EDS能谱面扫、线扫结果。
亚微米金刚石-TiC中的径向裂纹扩展行为和增韧机理
压力对聚晶金刚石烧结行为的影响
近期，四川大学原子与分子物理研究所高压科学与技术实验室彭放教授团队，通过高温高压技术探究了压力对聚晶金刚石烧结行为的影响。实验设计的烧结压力区间为5.5 GPa-10.5 GPa，烧结温度为1200 ℃-2200 ℃。研究结果表明，在确定的压力条件下存在一个与之匹配的最佳烧结温度，该温度下PDC材料呈现出最优的微观结构组织及力学性能特征，并且这一最佳烧结温度与所施加烧结压力之间呈线性正相关关系。进一步的研究数据显示，在最佳烧结温度条件下，随着压力的增加，样品的致密程度和硬度表现出显著增强的趋势，最高硬度可达71.5 GPa。此项研究不仅深化了对烧结压力变化如何调控PDC烧结行为及其性能参数的理解，而且为PDC材料的优化制备和性能提升提供了宝贵的数据支撑与工艺指导。
各烧结条件下样品的维氏硬度
在各烧结压力下，样品的硬度值随着温度的上升均呈现出先增加后减少的趋势，表明在PDC的烧结过程中，需要考虑压力与温度间的匹配关系，从而使得样品实现最优化的烧结效果。
最佳烧结温度随烧结压力的变化趋势
最佳烧结温度匹配条件下：(a)样品的维氏硬度随烧结压力的变化趋势；(b)样品的金刚石层密度随烧结压力的变化趋势
Xin Tong, Li Zhou, Yi Tian, Qian Li, Ruiang Guo, Wenjia Liang, Duanwei He*, Effect of pressure on sintering behavior of polycrystalline diamond, Diamond and Related Materials, 144, 111049 (2024).
彭放老师团队：
Mechanisms and mechanical properties of high-temperature high-pressure sintered vanadium carbide ceramics
VC由于其优异的力学性能，被广泛用作涂层材料的增强剂和硬质合金的晶粒细化剂。采用高温高压烧结法制备了一系列块状VC陶瓷，并对烧结样品的各项性能进行了全面系统的研究。结果表明，在5.0 GPa下，加工温度对烧结VC的性能有显著影响。然而，温度依赖的确切性质因具体性质而异。结果表明，在1100 ℃和5.0 GPa下烧结的VC陶瓷整体性能最佳，为烧结提供了相对最佳的温度条件。在9.8 N的载荷下，材料的维氏硬度达到了惊人的43.2 GPa，属于超硬材料的范畴。然而，在29.4 N的高载荷下，烧结样品的硬度逐渐降低至30.4 GPa，相对密度为99.8%，接近满密度，杨氏模量为544 GPa，抗压痕断裂性能为5.4 MPa m1/2，氧化起始温度为758 ℃。该研究为新型过渡金属碳化物超硬材料的设计提供了实践指导，为探索下一代超硬材料的可视化方向提供了有价值的见解。
Jie Chen, Fang Peng*, Yipeng Wang, Ruiqi He, Zhengang Zhang, Wenjia Liang, Haidong Long, Peihong He, Hao Liang*, Mechanisms and mechanical properties of high-temperature high-pressure sintered vanadium carbide ceramics, Int. J. Refract. Hard Mater. 118 (2024) 106483
发现具有高硬度和超导性的亚稳态W3P单晶
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彭放教授团队，通过独特的高温高压合成技术首次生长出了亚稳相W3P单晶。利用该技术，可以快速获得毫米级高质量W3P大单晶，为其本征物性（结构、电输运及力学性能）研究提供了坚实的基础。相关研究成果于近日发表于“Inorganic Chemistry”杂（DOI: 10.1021/acs.inorgchem.3c02864）。该论文的第一作者为博士研究生向晓君，四川大学原子与分子物理研究所为论文的第一作者单位，论文的合作单位包括中国科学院物理研究所等。
高压作为重要的物理参量，可以和与温度和化学组分共同影响材料合成从而实现对材料的结构、磁、电及热力学性质的调控。相较于常压的一些合成手段，高温高压合成方法具有确保化学计量比、极大加快反应速率、获得大块致密样品等优点，可以截获一些常规手段难以生长的亚稳态材料单晶。例如W3P自1965年被发现以来鲜有报道，这是由于亚稳相W3P生成的同时也同时会分解为W和WP，难以得到纯相的W3P从而阻碍了对其本征性质的研究。
在本工作中，我们克服了传统单晶生长方法的缺点，利用独特的高温高压合成技术首次合成了亚稳态W3P的单晶。我们对其结构、超导性质和力学性能进行了详细的实验和理论研究。最终确定W3P的结构参数（空间群I-42m和晶胞参数a = b = 9.8100(9) Å，c = 4.8131(7) Å）。输运和磁性测试结果表明其为典型的第Ⅱ类超导体且具有较高的上临界磁场4.35 T。此外，W3P还展示优秀的力学性能，包括显著的渐近纳米压痕硬度22 GPa，是目前报道硬度最高的过渡金属磷化物，有望成为特定的电子/高场应用的硬质超导体的良好候选材料。W3P的出现扩大了我们对超导和高硬度材料的探索。同时，这一研究工作为W3P的内在物理化学性能（包括电、磁、机械或催化性能）提供了基础。
W3P的纳米压痕硬度和电阻率随温度的变化关系
(a) W3P的电阻率在不同磁场作用下随温度的变化。(b) 2.0 K时磁滞回线(M−H) 环。(c) 临界温度以下的M−H曲线。(d) 根据朗道模型拟合的上临界场μ0Hc2和下临界场μ0Hc1。
纳米氮化钛位错介导的超高力学性能
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彭放教授团队，发现通过将陶瓷的晶粒尺寸减小到纳米尺度，可以实现陶瓷的刚度和延展性。目前由于技术的限制，纳米陶瓷的变形机理尚不清楚。本研究采用同步辐射x射线衍射技术结合金刚石压砧，在高达41.3 GPa的高压条件下，原位研究了纳米级纳米氮化钛(TiN)的变形行为。结果表明，纳米氮化钛具有较高的体积模量和屈服强度。纳米氮化钛在17.3 GPa左右开始屈服，在41.3 GPa时最大屈服强度约为8.7 GPa。在压力作用下，证实了纳米氮化钛中存在110和001织构，表明其位错活性强。这篇论文表明，晶粒尺寸减小到纳米尺度通过位错介导的机制提高了TiN的刚度和延展性。
研究表明，纳米氮化钛比微米氮化钛具有更大的体积模量和更高的屈服强度。在{110}<0-10>和{100}<011>两种潜在滑移体系的作用下，纳米氮化钛具有110和001织构。这些结果表明，位错介导的变形机制在应力纳米氮化钛中是有效的。我们对纳米氮化钛的研究提供了位错有助于纳米陶瓷的刚度和延展性的证据。这些知识有助于更广泛地理解纳米材料的力学，指导未来材料在不同领域的设计和应用。
高压下纳米氮化钛的拟合结果:(a)晶格参数，(b)相对于微米氮化钛的单位体积变化，(c)晶格应变，(d)相对于微米氮化钛的平均t/G。
(a)纳米氮化钛样品的模量值和(b)纳米氮化钛的差应力随压力的函数。
高压下纳米氮化钛的织构演变
雷力老师团队：
广义压强
近日，我所雷力研究员团队在国际物理学权威期刊《Physical Review B》发表原创论文。论文首次提出了“广义压强”（Generalized pressure）概念，并给出物质在“广义压强”下的状态方程。科学网（http://www.sciencenet.cn/）对该研究工作上进行了专题报道。
早在30年以前，研究人员就发现物质内部因素引起的“化学压强”（Chemical pressure）能够产生类似于“物理压强”（Physical pressure）的效果，但就物理压强和化学压强之间的关联知之甚少。雷力研究员团队创新性地提出了“所有引起相同体应变的热力学因素都认为是等价的，广义压强是所有能够引起体应热力学因素的系综”这一观点。基于此，在给定的边界条件下，推导出了物质在广义压强下的状态方程；并以三元半导体合金AlxGa1-xN为研究对象，通过预测合金和本征材料的高压相变点来验证“广义压强”理论的正确性。该工作对于深入认识物理压强和化学压强之间的关联具有的重要意义，开拓了高压物理研究的新视野。
广义压强概念示意图
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。
（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。
（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。