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Pressure-Driven Energy Band Gap Narrowing of λ-N₂

Yue Li (李月), Jingyi Liu (刘静仪), Binbin Wu (吴彬彬), Yu Tao (陶雨), Yanlei Geng (耿延雷), Xiaoli Wang (王晓丽), and Li Lei (雷力)

Chin. Phys. 2024, 41 (4): 047803

DOI: 10.1088/0256-307X/41/4/047803

文章亮点

成功测量固态氮（λ-N₂）在聚合氮合成压力条件下（124–165 GPa）的高压吸收光谱。通过分析吸收边，结合第一性原理计算，揭示了固态氮的压致带隙收缩特性。

图1. (a) 固态氮 λ-N₂ 在加压过程中的光学照片；(b) 固态氮与固态氢的光学带隙随压力的变化关系。

固态氮（λ-N₂）的压致带隙收缩

研究背景

当压力增加到100 GPa以上，固态氮将从光学带隙较宽的透明状态逐渐变得不透明（图1(a)），这意味着其光学带隙从紫外区域（大于3.1 eV）进入可见光范围（1.6 eV-3.1 eV），甚至到近红外或者红外区域（<1.6 eV）。在超高压条件下，不透明的固态分子氮样品更容易吸收近红外（如1064 nm）的激光能量，可通过直接激光加热样品本身来合成各种聚合氮（如cg-N、BP-N）。冷压缩形成的固态氮λ-N₂是迄今为止观察到的最稳定的一种固态分子氮相，它在相同的压力路径下表现出与常规氮相不同的压致变色过程（图1(a)）。高压吸收光谱是测量高压下物质光学带隙最直接的实验手段之一，可为物质在高压下的电子结构变化提供直接实验证据。但是由于超高压（>100 GPa）条件下金刚石压砧的样品腔小于30 μm，固态氮λ-N₂压致变色过程的定量光谱测量具有一定的实验难度。

内容简介

最近，四川大学高压科学与技术实验室雷力研究员课题组与烟台大学王晓丽教授课题组合作，通过优化与改进超高压吸收光谱系统，结合第一性原理计算，研究了高压下固态氮λ-N₂的光学带隙收缩行为。λ-N₂的光学带隙从2.23 eV（124 GPa）下降到1.55 eV （165 GPa），能带压力系数为-18.4 meV/GPa，并对λ-N₂的金属化压力进行了线性外推。比较分析发现（图1(b)），高压下简单双原子分子（固态氮、固态氢）的光学带隙趋于闭合，其能带压力系数皆为负值，固态分子相的结构与键合强度对能带收缩速率有影响。

研究意义和重要性

超高压吸收光谱为固态氮的压致带隙闭合行为提供了直接的光谱证据，对理解压力驱动简单双原子分子的电子结构变化和高压下绝缘体到金属的转变具有重要意义。

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