高压及成分定向制备六角形GeSn合金类材料的方法

《Journal of the American Chemical Society》：High Pressure and Compositionally Directed Route to a Hexagonal GeSn Alloy Class

立方金刚石结构的Si和Ge光电性能不足，但通过高压（9-10 GPa）和高温（1500 K）处理，Sn与Ge形成六方固溶体（2H/4H/6H），其对称性随Sn含量变化（<21%为六方，≥21%为立方）。该成果揭示了压力调控固溶体相变及晶体对称性，为设计光电材料提供了新途径。

　　

尽管立方金刚石结构的硅（Si）和锗（Ge）在电子特性上占据优势，但它们在光电子性能方面存在不足。然而，最近的研究表明，经过体积膨胀处理的六方结构锗（Ge）能够展现出人们所期望的优异光电子特性。如果较大的锡（Sn）能够与锗形成六方固溶体，那么这种膨胀效果就能实现。但这一现象原本并不被看好，因为锗和锡在常温常压下几乎不发生化学反应；此外，锡本身也没有六方对称性，因此在任何条件下（包括薄膜制备过程中）只能制备出立方或四方结构的锗锡二元化合物。通过使用大体积压机将锗和锡置于9至10 GPa的压力下，并在高达1500 K的温度下进行处理，这种情况发生了根本性的改变。同步辐射角分辨X射线衍射、进动电子衍射以及电子显微镜下的化学分析结果显示，在常温常压下可以制备出六方结构的2H、4H和6H型锗锡固溶体（P₆₃/mmc）。这种新型二元材料的形成与锡的掺入量密切相关：当锡的掺入量低于21%时，材料呈现六方对称性；而当锡的掺入量达到或超过21%时，则恢复为立方金刚石对称性。这些发现为开发先进材料提供了重要途径——它们结合了压力对材料反应性的影响，通过调控成分来控制所需的晶体对称性，并为根据晶体对称性、成分及堆叠顺序来调节材料的光电性能提供了可能。