Kırmızı tek kristal siyah hale geldiğinde: bant boşluğu enerjisini kimyasal olarak ve fiziksel basınç uygulaması ile

Yüksek Basınçlı Bilim ve Teknoloji Gelişmiş Araştırma Merkezi'ndeki Araştırma Grubu (HPSTAR) unsurları, alaşımları ve molekülleri sıkıştırmayı sever. Elmas örs hücresi (DAC) ve büyük hacim pres gibi yüksek basınçlı cihazlar, çeşitli bilimsel alanlarda araştırma yapmak için kullanılır. Aşırı koşullar altında bilinmeyen maddenin durumuna erişim ve etkinleştirme.

Özellikle DAC, az miktarda alana büyük miktarda kuvvet uygularken spektroskopik deneylerin yürütülmesinde son derece yararlıdır. Bu mümkündür, çünkü elmas şeffaf, en zor malzeme ve neredeyse sıkıştırılamaz olduğundan, deneyler sırasında sıkıştırıldıkları için örneklerin durumunu gözlemlemeyi kolaylaştırır. Son yıllarda yüksek basınçlı deneysel tekniklerin önemli gelişimiyle, “ultra yüksek baskılar altındaki ışık unsurlarının” araştırmasında çok fazla heyecan inşa edildi. Teknik olarak, DAC, doğada yayınlanan bir çalışmada görüldüğü gibi, belki de metalik duruma hidrojen yapmak için yeterli olan milyonlarca atmosferik basınç üretebilir. (Doğa– 2002), Ancak, bu tür gözlemlerin açık bir deneysel teyidi son derece zordur. Bunun yerine, son çabalar, hidrojen atomlarındaki elektron yoğunluğunun olduğu ikili ve üçlü metal hidritler gibi hidrojen baskın alaşımlara odaklanmıştır. önceden sıkıştırılmış Megabar basıncına sıkıştırılmış saf hidrojen ile karşılaştırılabilir.

Böyle olağanüstü bir şeyi gözlemleyebilir miyiz karbon ilave olarak?

Master derecesi projesindeki günlerden itibaren karbon bazlı moleküler bileşikleri araştırıyorum ve HPSTAR'a yüksek baskı altında son derece ilginç bir şey gözlemleyebilmem gerektiğini düşündüm. Teorik olarak, karbon açısından zengin malzemeler, yüksek frekanslı fonon modlarını ve yüksek elde etmek için gerekli güçlü elektron-fonon bağlantısını sağlayabildikleri için hidrojen açısından zengin malzemelere benzer şekilde umut verici adaylardır. T_C Süperiletkenlik. Yakın tarihli bir teorik çalışma, benzenin (C₆H₆) – hidrojen ve karbon “alaşım” – elektron -fonon etkileşimini arttırmak için yüksek basınçlar uygulayarak bant boşluğunu etkili bir şekilde azaltabilir. Bu mekanizma aynı zamanda 180-200 GPa arasındaki dar bir basınç aralığında metalik bir duruma geçişe neden olabilir. (J. Am. Kimya. Soc. 2011)

Deneysel verilerin gözden geçirilmesi, 10 GPA'nın üzerindeki polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) katıları gibi konjuge organik molekülleri içeren yüksek basınçlı çalışmalar azdır. Bu, büyük ölçüde organik moleküler kristallerin sıkıştırıldığında kolayca ayrışması ve bu tür hassas malzemeler üzerinde test yapmanın teknik zorluklarına bağlıdır. Bu araştırmada, C'ye 200 GPA uygulamak için bir yol bulmak yerine₆H₆bant boşluğu enerjilerini etkili ve verimli bir şekilde azaltmak için PAH molekülleri üzerinde “kimyasal sıkıştırma” ve “fiziksel sıkıştırma” birleştirdik. Daha spesifik olarak, PAH moleküllerinin bant boşluğu enerjisi, kimyasal öncesi baskı olarak tanımlanabilen π-elektron sayısı arttırılarak azaltılabilir. Örneğin, C'nin Gap Gap Enerjisi₆H₆ Ortam koşulunda 6 eV'dir, bu da dikoronilin oluşturmak için benzen halkalarının sayısını artırarak 2.2 eV'ye indirilebilir (C₄₈H₂₀). (Şekil 1) Daha sonra, fiziksel sıkıştırma, bitişik moleküller arasındaki mesafenin azaltılacağı, moleküller arası etkileşimi arttıracağı ve bant boşluğu enerjisine yol açacağı elmas örs hücresi (DAC) kullanılarak uygulanır.

Bu proje için, HPSTAR, Ruđ Bošković Enstitüsü, Edinburgh Üniversitesi, Ulusal Senkrotron Radyasyon Araştırma Merkezi ve Avrupa Senkrotron Radyasyon Tesisi'nden araştırmacılar yüksek basınç altında özellikleri ve yapı evrimini iyice araştırmak için bir araya geldi. Bant boşluğu enerjisinin 33.6 GPa'da 2,2 eV'den 0.7 eV'ye kadar sürekli bir şekilde kapanmasını gözlemledik, kristalin optik renginde kırmızıdan tamamen siyaha kadar bir değişiklik. P/T'nin bir fonksiyonu olarak yapılan elektronik direnç ölçümleri, C'nin yarı metalik karakterinin₄₈H₂₀ 23.0-38.0 GPA basınç aralığında belirginleşir. Yüksek basınçlı Raman spektroskopisi ölçümleri, 23.0 GPA'nın üzerinde olası yapısal geçişi gösterdi. Yüksek basınçtaki kristalografik bilgi, bu çalışmanın en zorlu kısmıydı. Bildiğimiz kadarıyla, tahminleri yorumlamak ve yapıları ve özellikleri arasındaki ilişkileri anlamak için anlamlı bilgiler sağlayan PAH'lar hakkında başka bir tek kristal veri bildirilmemiştir.

Senkrotron tesislerinde, Spring-8 (BL12B) ve ESRF'de (ID15B) hem toz hem de tek kristal X-ışını kırınım ölçümleri gerçekleştirdik. Tam yapı çözümü ve iyileştirme hakkındaki kristalografik bilgiler çeşitli basınçlarda başarıyla elde edilmiştir. (Şekil 2) Tüm yapılar, monoklinik uzay grubunu kanıtlayarak çözülebilir P2₁/C. 26.2 GPA'da, birim hücre hacmi ortam basıncına kıyasla% 20.0 azaltıldı. Moleküller arası mesafeler de deneysel veriler temelinde hesaplanmıştır. Özellikle, en yakın komşu moleküllerin atomları arasındaki CC mesafesi, ortam basıncında 3.474 (3) Å'den 26.2 GPA'da 2.724 (7) Å'ye düşürüldü. Veriler, yarı metalik durumun moleküller arası CC mesafesi 2.8 A'dan daha kısa ve geri dönüşümsüz kimyasal reaksiyonun 2.6 A'da gerçekleştiğinde meydana geldiğini göstermektedir. Yapısal bilgilere dayanarak elde edilen elektron lokalizasyon fonksiyonu₄₈H₂₀ Moleküller arası mesafelerin sıkışması ve moleküllerin dönüşü nedeniyle moleküller azalır.

Sadece karbon ve hidrojenden oluşan bir bileşikte basınca bağlı fiziksel özellikleri inceledik ve ayarlanabilir bir bant boşluğu gözlemledik, elektrik iletken davranışını değiştirdik, yarı metalik doğa için kanıt sağladık ve C'de yapı mülkiyet ilişkisini köprüleme sağladı.₄₈H₂₀. Önceden sıkıştırılmış büyük PAH moleküllerinin bu tek bileşenli, tek fazlı tek tek kristali, ortam koşulları altında stabildir ve fiziksel sıkıştırmanın uygulanmasından önce iyice karakterize edilebilir. Diğer büyük PAH moleküllerinin metalik ve süper iletken duruma olası bir geçişe basınç tepkileri, bulgularımız ışığında daha fazla araştırılmalıdır.

Yüksek basınç altında dikoronin ile ilgili çalışmayı keşfetmekten çekinmeyin: https://doi.org/10.1038/s43246-025-00814-2