[论文解读] Nature of Structural Transformations in the B2O3 Glass under High Pressure

V. V. Brazhkin, Yoshiaki Katayama+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2008

High-pressure geophysics and materials参考文献 5被引用 4

一句话总结

本研究通过X射线衍射、体积测量和从头算模拟，对B2O3玻璃在高达250 GPa的压力下的结构演化进行了研究。结果揭示了两个宽泛且重叠的转变：一个在1 GPa以下发生，不涉及硼配位数的变化；另一个在5 GPa以上发生，表现为硼配位数逐渐增加至四配位，第二类转变完全可逆，而第一类转变则表现出部分不可逆性。此外，研究预测在极端压力下会形成一种超致密相，其中硼原子呈现五配位和六配位状态。

ABSTRACT

We report the results of the X-ray diffraction study of B2O3 glass in the pressure interval up to 10 GPa in the 300-700 K temperature range, the results of in-situ volumetric measurements of the glass at pressures up to 9 GPa at room temperature, and first-principles simulations data at pressures up to 250GPa. The behavior of B2O3 glass under pressure can be described as two broad pressure-overlapping transitions. The first transition starts at P > 1 GPa and proceeds without any changes in thecoordination number of the boron atoms; the other one starts at P > 5 GPa and is accompanied by a gradual increase of coordination number. The second transition is completely reversible; the residual densification of the B2O3 glass after decompression is associated with the incomplete reversibility of the first transformation. The fraction of boron atoms transferred to the 4-coordination state in the glass at P < 10 GPa is much smaller than was assumed from indirect experimental data [4], but is considerably larger (by tens of times) than was previously suggested by the classical molecular dynamics simulations [5,6]. The observed transformations under both compression and decompression are quite broad, contrary to the assumption in Ref. [7]. On the basis of ab-initio results, we also predict the one more transformation under higher pressures to a super-dense phase, in which B atoms become 5- and 6-fold coordinated.

研究动机与目标

• 理解B2O3玻璃在高压下结构转变的本质。
• 解决间接实验数据与经典分子动力学模拟之间关于硼配位数的矛盾。
• 研究压缩与卸压过程中结构变化的可逆性。
• 利用从头算模拟预测10 GPa以上的高压相。
• 明确B2O3玻璃中硼配位态随压力的变化关系。

提出的方法

• 在300–700 K范围内对B2O3玻璃进行X射线衍射测量，压力最高达10 GPa，以探测结构变化。
• 在室温下进行原位体积测量，压力最高达9 GPa，以评估压缩过程中的密度变化。
• 采用从头算模拟方法模拟高达250 GPa的压力下的结构行为，从而预测高压相。
• 分析硼原子配位数随压力的变化，以追踪结构演化过程。
• 通过对比实验数据与从头算结果，验证观察到的转变并预测新相。
• 通过分析卸压后的残余致密化程度，评估结构变化的可逆性。

实验结果

研究问题

• RQ1 B2O3玻璃在高压下的结构转变本质是什么？硼原子配位数的变化如何与压力相关？
• RQ2 为何观察到的转变比文献中假设的更宽广？
• RQ3 B2O3玻璃的结构变化在卸压后在多大程度上可逆？
• RQ4 B2O3玻璃中四配位硼原子的比例与早期间接测量结果和经典模拟相比如何？
• RQ5 从头算模拟在10 GPa以上预测了哪些高压相？

主要发现

• B2O3玻璃的第一类结构转变始于1 GPa以上，且不涉及硼配位数的变化，表明其为非共价或拓扑性转变。
• 第二类转变始于5 GPa以上，其特征为硼配位数逐渐增加，表明发生了连续的结构重排。
• 第二类转变完全可逆，卸压后残留的致密化归因于第一类转变的不完全可逆性。
• 在10 GPa以下压力范围内，四配位硼原子的比例显著高于经典分子动力学模拟的估计值，但低于间接实验数据所推断的值。
• 观察到的转变是宽广且连续的，与先前研究中假设的尖锐、离散转变相矛盾。
• 从头算模拟预测在极端压力下会形成一种新的超致密相，其中硼原子呈现五配位和六配位，表明发生了根本性的结构重排。