铂和方镁石在极端压力和温度条件下的导热性是如何互相影响的？

文|科普有谱

编辑|科普有谱

«——【·前言·】——»

我们通过将脉冲光加热热反射技术与激光加热金刚石压砧相结合，测量了铂和MgO方镁石在高压和高温下的热扩散率和热导率。

获得的铂热导率显示出正压力和温度依赖性，在125GPa和1850K的最高P-T条件下达到约210W/m/K。

方镁石的热导率被确定为高达140GPa和1950K，对应于地球最底层的地幔，那里的电导率约为90W/m/K。

我们的测量使我们能够测试组合p-t模型金属和绝缘材料的热导率取决于Mbar压力和数千开尔文。

«——【·实验部分·】——»

1.准静态高压实验

准静态高压-温度实验正在积极进行，方法是将高压发生器例如多砧装置和金刚石砧座与使用金属或半导体的加热技术相结合加热器和激光光学器件。

在激光加热DAC实验中，样品、激光吸收器和压力介质的热导率强烈影响样品室中的温度结构。

因此，关于高P–T实验中使用的材料的热导率的信息此外，确定地球组成材料的热导率对于了解地球的动力学和热演化至关重要。

由于其结构稳定性和化学惰性，铂(Pt)在高压研究中被广泛用作压力计用于产生高温的激光吸收体此外，Pt已被用作辅助确定高压下深部地幔矿物的热导率。

此外，由于Pt是一种未填充的d带后过渡金属，是顺磁性的，并且在环境和高P-T条件下具有密排结构，因此其在这些条件下的传输特性预计与Fe的传输特性相似，被认为是地球内核的主要成分。

2.铂的热导率

因此，测量铂的热导率的实验将有助于了解地球深部地幔和地核的热物理性质。

自由电子和晶格振动是金属中热传输的主要载体。晶格振动引起的载流子散射在高温下被激活。

因此，大多数纯金属对其热导率具有负温度依赖性。Pt的热导率在环境压力下表现出正温度依赖性。

表现出热导率正温度依赖性的纯金属很少见只有Pt、Pd和几种稀土元素，而且这种性质的物理学仍未完全理解。

第一性原理计算已经确定Pt的热导率高达200GPa和4800K，这表明它的温度依赖性在高压下仍然是正的。

相比之下，Pt的高P-T热导率的测量仅限于约60GPa和2000K。氧化镁(MgO)是构成地球岩石内部的矿物质的代表。例如，它被认为是地球下地幔的主要成分之一。

下地幔的P-T条件范围从25GPa和1900K到136GPa和3700。MgO方镁石是一种宽带隙绝缘体，具有高达数百GPa的B1型晶体结构，其特性适用于内部压力标准。因此，对MgO方镁石的导热性进行了广泛的研究。

3.铁方镁石

铁方镁石是Mg,F的富镁成员，被认为是地球下地幔中第二丰富的矿物，其热导率具有影响下地幔体积热导率的巨大潜力，尽管其丰度低于布里奇曼石。在地幔最深处的条件下，尚未实现在高压实验中测量MgO方镁石的热导率。

桂使用方法在圆柱形几何结构中使用多砧装置测量了高达5GPa和1473K的MgO热扩散率。

他们方法的测量条件已扩展到14GPa和1273K，接近地球上地幔下部的条件。许多实验和理论研究已经分析了MgO热导率的压力依赖性，包括在地球下地幔的整个压力条件下进行的实验。

然而，它在高压条件下的温度依赖性在实验和理论研究中仍然存在争议。

我们最近开发了一种用于高P-T热扩散率和电导率测量的新设备。

在这项研究中，我们测量了Pt和MgO方镁石在与大部分地幔相关的P-T条件下的热扩撒散率导率。

根据实验结果，我们制定了Pt和MgO的热导率的压力或密度和温度依赖性。

«——【·多种实验的差异性·】——»

1.金刚石

我们使用带有120µm尖底单斜面或300µm平面金刚石砧座的对称型激光加热DAC。使用的样品是Pt箔和MgO方镁石单晶。将样品装入Re垫圈中心的样品室中，NaCl用作压力介质和热绝缘体。

Pt和MgO样品的初始厚度约为10µm，压力由金刚石砧座的拉曼位移确定。

温度由样品发射的辐射光谱确定。本研究中校准的压力和温度的不确定性约为10%。在我们之前的论文中描述了用于估计样品温度不确定性的方法的细节。热导率是热扩散率，密度和等压热容的函数。

我们在连续波激光加热DAC中使用脉冲光加热热反射方法确定了Pt和MgO的热扩散系数。

2.温度影响

有关TR测量的技术和数据分析的详细信息。TR方法允许可视化样品表面随时间的温度变化。

可以从获得的瞬态温度曲线分析通过Pt箔的热扩散通过脉冲加热，将获得的曲线与基于膜厚度方向的一维热传导方程的理论曲线拟合因此，压力介质的热传导效应由γ解释。热扩散率由τ和样品厚度确定。

在TR测量后，我们回收了Pt样品并使用聚焦离子束装置制备了样品切片，通过测量样品横截面厚度并使用Pt的状态方程校正由减压引起的弹性变形的影响，获得高压下Pt样品厚度。此外，确定的Pt热弹性参数，用于计算其在进行TR测量的条件下的密度和等压热容。

在同一运行中获得的代表性瞬态温度曲线和横截面图像。在121GPa和300K和124GPa和1700K时得到的曲线。

黑线表示得到的信号，红线表示使用方程得到的拟合结果。TR测量后Pt样品的横截面SEM图像。在同一运行中获得Pt-MgO-Pt样品的代表性瞬态温度曲线和横截面图像。

在130GPa和300K和140GPa和1950K时得到的曲线。黑线是得到的信号，红线是用方程得到的拟合结果。

对于MgO，样品板的两侧都涂有溅射的Pt膜，用于TR测量。因此，获得的瞬态温度曲线显示了通过MgO和覆盖它的Pt薄膜的热传播。

使用等式获得的热扩散时间τ使用以下等式作为三层热扩散模型进行分析其中D Pt是Pt的热扩散系数。

分别为MgO样品和Pt溅射层的厚度,CMgO和CPt分别是MgO和Pt的单位体积热容。它们是使用Debye近似和Pt的状态方程估计的和氧化镁。

此外，MgO和Pt是根据回收样品的厚度及其弹性以及Pt单层TR测量的情况确定的。

对于MgO热扩散率的计算，我们使用了此处获得的Pt的热扩散率。在某些运行中，我们在高测量前后收集了300K的TR信号从中获得的T。

我们确认了样品在300K时的变形不随加热而变化，表明激光加热引起的塑性变形小到可以忽略不计。

到目前为止，我们已经对我们使用的具有不同样品厚度的各种类型的矿物进行了上述从TR方法获得的数据中获得矿物导热系数的过程。

«——【·最终实验结果·】——»

我们测量了Pt样品的热扩散率和热导率高达125GPa和1850K。实验热扩散率在300K时随压力增加。

它还显示出非常弱的正温度依赖性，由于CP随温度增加的影响，Pt的热导率的温度依赖性显示出比扩散率更大的温度增加率，这与之前的研究一致。

得到的Pt导热系数的绝对值也与前人研究的实验结果一致。

在我们实验的最高温度和压力条件下，125GPa和1850K，Pt的热导率为213.3 44.5W/m/K。由于Pt在环境条件下的热导率约为70W/m/K，温度和压力的影响使热导率增加了大约三倍。在高压下的热扩散系数和电导率的温度依赖性。

圆圈表示此处通过热反射法获得的结果，红色，121GPa；蓝色，91GPa；和黄色，12GPa，以及我们之前报告中的那些,绿色,58GPa和紫色,40GPa。

我们当前和以前的数据分别用闭合圆圈和空心圆圈显示。空心三角形表示通过快速加热方法获得的结果：绿色，55GPa和紫色，35GPa。

灰色十字表示环境压力下的推荐值，实线表示我们制定的导热系数。

实线的颜色表示与相同颜色的圆圈相同的压力，灰色线表示1bar下的电导率。虚线表示Pt的计算导热系数：红色，150GPa，蓝色，90GPa,绿色，60GPa，紫色,40GPa，黄色，10GPa，和灰色，0GPa。

在这里，我们使用相同的形式并根据我们当前和之前的Pt数据以及环境压力下的推荐值确定的值。

基于本研究修正后的模型如下。我们获得的所有常数都小于我们认为，由于实验P-T范围，压力系数和温度系数的可信度有所提高。

根据第一性原理计算的结果，导热系数与压力近似为一阶相关，但在熔点附近，导热系数的温度依赖性由之前的温度依赖性变弱或变为消极倾向。

然而，这里没有观察到这种变化，最高温度保持在2000K左右。

就电子传导特性而言，Pt可以是高度压缩的Fe的类似材料。目前的结果表明，Pt的热导率在高压下具有正相关性。

这与之前的所有研究一致。据观察，Fe的导热系数在50GPa时具有较弱的负温度依赖性。可以预期，在50GPa以上的一定压力下，Fe的导热系数的温度导数由负变为正。

实际上，从头计算表明在地核条件下Fe的热导率与温度呈正相关。

我们测量了MgO单晶的热扩散系数和热导率高达140GPa和1950K，最高温度条件为30GPa时3170K用于在高TTR测量期间由于热压力的影响而导致的实验压力变化。

总结了室温下MgO的热导率结果。在任何压力下，以前研究中计算的大多数值都高于我们的。

我们的价值观与等人的结果非常一致中的黑色虚线是根据他们的结果从1000到2000K外推得出的,而不是在300K实际计算的。

我们得到的结果高于多晶MgO的导热系数并且类似于先前通过与我们不同的方法确定的单晶MgO的电导率。

实验值和理论值之间的差异可能与MgO声子的平均自由程、晶体结构中的空位和/或压缩样品的晶格畸变有关。在计算研究中，热导率是在假设完美晶体的情况下计算的。

然而，所有真实材料在其结构中都有空位，这些空位会散射声子并降低热导率，而DAC的单轴压缩会对样品施加不同的应力并扭曲其晶格，从而降低样品的热导率。这些因素在较高温度下对热导率的影响较小。

MgO在300K时的热导率与压力的函数关系，实验数据显示为符号。

红色圆圈代表我们的结果，空心圆圈代表MgO单晶,空心方块代表多晶MgO，空心三角表示多晶MgO。

我们基于等式建议的密度依赖性和文献中报道的理论数据使用实线显示：红色代表这项研究，青色代表参考文献。绿色代表Ref,黄色代表Ref,紫色代表Ref,我们在高P-T条件下的结果总结在中。

获得的MgO导热系数在130GPa和300K时为284.6 65.8W/m/K，在140GPa和1950K时为88.5 19.9W/m/K。由于MgO是一种宽带隙绝缘体，辐射热的影响传导可以忽略不计。

因此，MgO的实验导热系数代表晶格导热系数。晶格热导率通常表示为T和ρ的函数下的热导率和密度。

已用于制定实验结果，我们分别考虑了。基于这些值和我们的测量结果，我们得到m  =0.62 0.06和g  =4.4 0.1。目前的温度依赖性m=0.62 0.06比它 更平缓 ，m=0.76已通过实验确定高达14GPa和1270K。

这些m值与理论约束一致。我们根据单晶MgO的热导率确定了g值，而根据多晶MgO的导热率评价了该值。

请注意，多晶MgO的热导率小于单晶Mg因为晶界处的热阻可能会影响多晶样品中的热传导。我们的密度依赖性g  =4.4 0.1与之前一些研究中获得的结果一致，但一些理论研究表明密度依赖性更高。

理论数据和我们建议的基于等式的密度依赖性显示在每个面板的曲线中。符号和曲线颜色对应于中的那些。

最下层地幔的热导率控制着CMB正上方的热边界层结构根据本研究中精炼的MgO模型方程式，CMB条件136GPa和3700K下MgO的晶格热导率为51.8(+10.5/ 8.7)W/m/K，在在等效条件下先前提出的MgO电导率的范围。

在下地幔中，它会以铁方镁石酶的形式存在于与Fe3O的固溶体中，由于固溶效应导致晶格热导率降低。

此外，铁方镁石酶中的铁自旋跃迁也改变了它的电导率。迄今为止，还没有对地球深部下地幔条件下低自旋态铁方镁石热导率的测量，但本研究中使用的方法适用于这种测量，应在未来加以解决。

«——【·笔者观点·】——»

我们使用带有DAC的脉冲光加热TR技术确定了Pt和MgO方镁石的高P-T热扩散率和电导率。我们对高达125GPa和1850K的Pt热导率的测量允许建立其P-T依赖性方镁石的晶格热导率，此处测量到140GPa和1950K。

拉特根据这个模型，在地球的CMB条件下，我们估计的MgO方镁石的热导率为51.8(+10.5/ 8.7)W/m/K。

由于Pt和MgO是高P-T实验中常用的压力标准和压力介质材料，目前的结果将有助于我们理解凝聚态物质的高P-T行为。

«——【·参考文献·】——»

1.福斯《用于大学实验室和同步加速器应用的激光加热金刚石砧座的实用回顾》，剑桥大学出版社，剑桥，2011年。

2.阿布贝克《基于同步加速器的激光加热金刚石电池中的温度梯度和热弹性特性评估》，加利福尼亚大学出版社，2002年

3.哈尔《测量激光加热金刚石压砧温度的峰值缩放方法及其在MgO热导率中的应用》，佐治亚理工学院，2017年。

4.科埃略《结合脉冲光加热热反射和激光加热金刚石砧座进行原位高压温度热扩散率测量》，马萨诸塞州：麻省理工学院出版社，2012年。

5.布里托《金属Mo、Pb和Pt的静态压缩至272GPa：与冲击数据的比较》，加利福尼亚大学出版社，加利福尼亚州，2013年。