高压光谱学是研究高压相变、高压化学反应机理、高压下材料的物性的重要原位实验测量手段。目前大多数高压光谱研究主要在室温条件下进行，而低温高压光谱实验主要以高压冷却降温为主的研究手段。由于设备和技术等方面的限制，在低温等温压缩的条件下开展高压原位光谱测量的研究仍相对较少，需要克服光学窗口结霜、低温下压力加载和超长工作距离下小样品信号探测优化等挑战。商用低温高压光谱设备通常不能满足大部分高压实验需求，绝大多数重要材料的低温高压相边界仍然没有被实验确定。因此，开发低温等温压缩下进行光谱测量，不仅可以通过实验确定P-T斜率较大相边界，还可以研究低温条件下声子等元激发对压力的响应特性。

近日，应用物理学旗舰期刊Applied Physics Letters在一周内连续发表了2篇我所雷力研究员团队利用自主设计研制的低温高压光谱测量系统的研究成果。这两篇研究论文分别被遴选为Editor's Pick（编辑精选）和Featured Article（特色文章），在期刊官网首页重点展示。两篇论文第一作者均为四川大学2021级博士生吴彬彬，四川大学原子与分子物理研究所为唯一通讯单位。

通常，实验上采用两种不同的热力学路径（等温压缩和等压变温）来确定的相边界（图1a）。等温压缩路径适用于研究压力敏感的相变，而等压变温路径在确定斜率较大的相界时误差较大。理论模拟往往是在0 K下进行计算。基于此，该团队利用拉曼光谱研究了典型半导体（ZnO, GaN, AlN和LiGaO₂）在等温压缩路径下压力诱导B4-B1的相变特性和声子行为，明确了这些物质的B4-B1相变边界（图1bcde）。并通过理论计算和近似推导，揭示了B4-B1相变过程中材料的键能与克拉珀龙斜率之间的内在关系，这不仅为半导体材料的相变特性提供了深刻的理论支持，也为其他 B4 结构材料的相变行为预测提供了有效的工具。相关成果以“Determination of the B4-B1 phase boundary in semiconductors using isothermal compression Raman spectroscopy” 为题发表在Applied Physics Letters, 126, 112109, 2025 (Featured Article)。

图1. 等温压缩和等压变温实验路径和典型半导体的低温高压相图。

Applied Physics Letters, 126, 112109, 2025 (Featured Article)

II-VI族宽禁带半导体材料硫化锌（ZnS）在低温高压下表现出显著的相变行为和声子耦合特性，研究团队对ZnS开展了等温压缩拉曼光谱研究。在等温压缩路径下（图2a）研究了ZnS的压力诱导 B3-B1 相变以及声子模的演化行为，揭示了低温下硫化锌的 B3-B1 相边界和声子模的温度和压力依赖性，并发现压力系数的温度依赖性与Grüneisen参数密切相关（图2b, c）。相关成果以“Temperature effect of the pressure coefficients for multi-phonon coupling in B3-ZnS” 为题发表在Applied Physics Letters, 126, 102103, 2025（Editor's Pick）。

图2. (a) ZnS的低温高压相图; (b), (c)不同声子模压力系数的温度依赖性。

Applied Physics Letters, 126, 102103, 2025（Editor's Pick）

此外，该团队近几年致力于开发低温高压光谱测量系统。并与中国工程物理研究院核物理与化学研究所合作，在自主设计搭建的综合极端条件光谱平台上，沿着四条独立的P-T实验路径对U₃O₈的拉曼光谱特性和相稳定性进行了深入研究。该工作首次获得了U₃O₈的低温高压谱学数据，给出了U₃O₈的P-T相图（图3），对全面了解U₃O₈的晶格动力学行为具有重要参考价值。相关成果以“Raman study of P-T phase diagram for U₃O₈”为题发表在Journal of Raman Spectroscopy 55(9), 997, 2024。该研究成果对全面了解U₃O₈的晶格动力学行为具有重要参考价值。该论文第一作者为四川大学2021级硕士王艺佳。

图3. U₃O₈的P-T相图。

Journal of Raman Spectroscopy 55(9), 997, 2024

低温高压光谱实验涉及到低温条件下DAC压砧金刚石的光谱特性，该团队在低温高压下研究这些激发态以及相应的跃迁机制，揭示了应力诱导的金刚石荧光与温度和压力之间的关系（图4），并进一步探讨了电子-声子相互作用对金刚石能隙的影响。相关成果为理解金刚石的能带结构和光学性质提供了新的视角。相关成果以“Stress-induced fluorescence in diamond at ultrahigh pressures and low temperatures”为题发表在Solid State Communications 390, 115609, 2024。该研究成果为金刚石在DAC的超高压实验中的应用提供了指导。四川大学2021级硕士李月和2021级博士生吴彬彬为该论文共同一作。

图4. 不同温压条件下应力金刚石能带-压力-温度三维图。

Solid State Communications 390, 115609, 2024

早在2019年，该研究团队就利用自主设计的低温高压装置，对合成的立方聚合氮（cg-N)进行了低温高压拉曼光谱测量（图5），研究了cg-N在低温下的晶格振动特性。相关成果以“立方聚合氮(cg-N)的高压低温拉曼光谱研究”为题发表在光散射学报31(3) 235, 2019。该研究成果揭示了不同压力下cg-N对温度的响应特性。该论文第一作者为四川大学2017级硕士生刘珊。

图5. cg-N在133 GPa和 140 GPa下拉曼峰随温度的变化。

光散射学报31(3) 235, 2019

  低温高压等温压缩光谱测量技术的发展，为高压低温物态研究、相变探索及行星物理研究提供了实验技术支撑，对高压科学与技术、激光光散射谱学、凝聚态物理、材料科学、地球与行星科学等领域的前沿研究具有重要意义。未来，低温高压等温压缩原位光谱测量技术有望应用在更多实验场景中。

文章信息

1. Determination of the B4-B1 phase boundary in semiconductors using isothermal compression Raman spectroscopy （Featured Article）

Binbin Wu, Yu Li, Yuru Lin, Jingyi Liu, Yu Tao, Xue Chang, Li Lei ^* 

Appl. Phys. Lett. 126, 112109 (2025) https://doi.org/10.1063/5.0258376

2. Temperature effect of the pressure coefficients for multi-phonon coupling in B3-ZnS （Editor's Pick）

Binbin Wu, Yuru Lin, Yu Li, Xue Chang, Yu Tao, Jingyi Liu, Li Lei^* 

Appl. Phys. Lett. 126, 102103 (2025) https://doi.org/10.1063/5.0258828

3. Raman study of P-T phase diagram for U₃O₈

Yijia Wang, Binbin Wu, Jingyi Liu, Xu Jia, Yue Li, Benqiong Liu, Leiming Fang, Li Lei^* 

J. Raman Spectrosc. 55(9), 997 (2024).  https://doi.org/10.1002/jrs.6705

4. Stress-induced fluorescence in diamond at ultrahigh pressures and low temperatures

Yue Li, Binbin Wu, Jingyi Liu, Li Lei^* 

Solid State Commun. 390, 115609 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2024.115609

5. 立方聚合氮(cg-N)的高压低温拉曼光谱研究

刘珊，蒲梅芳，张峰，雷力*

光散射学报31(3) 235-240(2019) https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.201903004