In-Situ High-pressure Characterization Techniques and Research on Pressure-induced Phase Transition Materials

doi:10.7503/cjcu20260234

Abstract

Abstract:

High-pressure-induced structural phase transitions constitute a crucial pathway for discovering new phases and understanding material behaviors under extreme conditions. However， the transition pathways， intermediate states， and dynamics have long remained in a "black box"， necessitation in situ probing techniques for elucidation. This article reviews the recent progress in in situ probing techniques and mechanistic studies of structural phase transitions in high-pressure solid-state chemistry. First， the principles and applicable scopes of in situ characterization methods are introduced according to information levels， including X-ray diffraction， neutron diffraction， X-ray absorption fine structure， pair distribution function， Raman spectroscopy， infrared spectroscopy， ultraviolet-visible absorption spectroscopy， fluorescence spectroscopy， and second harmonic generation. Emerging directions such as ultrafast time-resolved techniques and machine-learning-assisted data analysis are also discussed. Second， using displacive phase transitions（SrTiO₃）， reconstructive phase transitions（graphite-diamond， Co₃P₂O₈）， pressure-induced amorphization（ice）， isostructural phase transitions（Ce）， and order-disorder phase transitions（IMMH _y PbBr₄） as representative examples， we demonstrate how in situ techniques reveal the microscopic mechanisms of pressure-driven structural evolution. Finally， current bottlenecks in time resolution and data interpretation are summarized， and future directions including multi-technique integration， ultrafast probing， and machine learning are prospected.

Key words: Pressure-induced phase transition, In-situ characterization, Diamond anvil cell（DAC）, Synchrotron radiation

CLC Number:

O521.2

TrendMD:

PEI Tianyao, WANG Yonggang, YUE Binbin. In-Situ High-pressure Characterization Techniques and Research on Pressure-induced Phase Transition Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(9): 20260234.

Figures/Tables 15

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Technique	Probe	Length scale	Sample requirement	Ref.
XRD	Lattice parameters， space group， phase transition pathway	Long⁃range	Crystalline（powder/single crystal）	［1］
Neutron diffraction	Light atom positions， magnetic structure， lattice dynamics	Long-range	Crystalline（large volume required）	［8］
XANES	Valence state， spin state， orbital occupancy， symmetry	Electronic+local structure	Crystalline/amorphous	［12］
EXAFS	Bond lengths， coordination numbers， disorder （Debye-Waller factor）	Local atomic configuration	Crystalline/amorphous	［13］
PDF	Atomic pair distances， bond lengths， coordination numbers， disorder	Short-to-medium range	Crystalline/amorphous/ liquid	［15］
Raman spectroscopy	Vibrational modes， symmetry， phase precursors （soft modes）	Lattice vibration	Crystalline/amorphous/ liquid	［17］
IR spectroscopy	Polar bond vibration， hydrogen bonds， MIT	Lattice vibration+ electronic	Crystalline/amorphous/ liquid	［21］
SHG	Inversion symmetry， isostructural transitions， molecular orientation	Symmetry+ electronic	Non-centrosymmetric crystals	［23］
Photoluminescence	Defect states， exciton behavior， local electronic states	Electronic	Crystalline/amorphous	［27］
UV-Vis absorption	Band gap， exciton features， metallization	Electronic	Crystalline/amorphous/ liquid	［30］

Technique	Probe	Length scale	Sample requirement	Ref.
XRD	Lattice parameters， space group， phase transition pathway	Long⁃range	Crystalline（powder/single crystal）	［1］
Neutron diffraction	Light atom positions， magnetic structure， lattice dynamics	Long-range	Crystalline（large volume required）	［8］
XANES	Valence state， spin state， orbital occupancy， symmetry	Electronic+local structure	Crystalline/amorphous	［12］
EXAFS	Bond lengths， coordination numbers， disorder （Debye-Waller factor）	Local atomic configuration	Crystalline/amorphous	［13］
PDF	Atomic pair distances， bond lengths， coordination numbers， disorder	Short-to-medium range	Crystalline/amorphous/ liquid	［15］
Raman spectroscopy	Vibrational modes， symmetry， phase precursors （soft modes）	Lattice vibration	Crystalline/amorphous/ liquid	［17］
IR spectroscopy	Polar bond vibration， hydrogen bonds， MIT	Lattice vibration+ electronic	Crystalline/amorphous/ liquid	［21］
SHG	Inversion symmetry， isostructural transitions， molecular orientation	Symmetry+ electronic	Non-centrosymmetric crystals	［23］
Photoluminescence	Defect states， exciton behavior， local electronic states	Electronic	Crystalline/amorphous	［27］
UV-Vis absorption	Band gap， exciton features， metallization	Electronic	Crystalline/amorphous/ liquid	［30］