Ga在极端条件下的结构研究是一个长期的重要基础研究。作为具有丰富多形相的单质元素,Ga由于其所具有的共价键和金属键混合共存的特殊成键形式表现出了较为罕见的物理特性。稳定的Ga-I相是稀有的准分子金属的特例,而高压固体相Ga-II和Ga-III相则具有普通金属的特性。该元素另一个引人关注的要点源于体系液态结构的研究,Ga不但在常压下极易形成过冷液体,且液态密度比稳定的Ga-I密度高3%,表现了反常的熔化曲线。另外,液态Ga曾被报道可能存在液液相变现象,但相关研究仍存在较大争议。尽管对液态Ga进行了大量的实验和理论研究,但是对其特性和结构的认识仍然十分有限,例如,由于液态Ga体系缺乏长程有序,因此高压条件下密度的直接实验测量一直是具有挑战性的工作,有待于进一步的研究。本论文以明晰Ga体系中存在较大争议的特性和结构为目的,研究了液态Ga压力条件下的局域结构、密度和液液相变现象,主要获得了以下结果。(1)采用原位高压同步辐射X射线3D成像技术结合能量色散X射线衍射实验研究了液态和固态Ga在不同温度压力下相对体积变化。由3D成像图样数据重构直接获得了液态Ga的P-V关系曲线,同时利用状态方程拟合得到了300 K-3.02 GPa和330 K-3.63 GPa压缩条件下的等温体积模量分别为23.6(0.5)GPa和24.6(0.4)GPa。并通过反常压缩现象发现液态Ga在330 K-2.44 GPa条件下存在潜在的液液相变。(2)采用原位高压高能X射线散射实验研究了1.9 GPa压力作用下的液态Ga的局域结构,并以测量密度为基本输入参数对体系的双体分布函数进行了逆向蒙特卡罗拟合。实验中所施加的压力区间涵盖了Ga体系Ga-I到Ga-II固态相变的范围。以前的研究根据已知晶体结构对实验获得的PDF数据进行拟合显示在该区域内的液态Ga的局域结构是由Ga-I和Ga-II的局域团簇混合构成的,然而这种拟合方法的准确性一直存在较大的争议。我们的研究显示了与其截然不同的结果,即液态Ga的局域结构与其高压晶体相Ga-II和Ga-III的原子排列较为类似。并根据自由体积理论建立了Ga的熔化模型,指出在体系熔化瞬间Ga-I相迅速打破原有结构进行原子重排,获得了足够的自由体积进而形成液体状态。(3)通过以上实验确定了液态Ga的原子间距统计分布函数和体系密度,结合幂律对体系的分形特征进行了研究。通常唯一的非整数幂指数D_f能够根据幂律表征金属玻璃的分形特征,但是对于同样长程无序的液态Ga体系,应用幂律得到的结果显示体系具有多重幂指数并且其近邻四个配位球的幂指数数值均大于欧几里得维数3,该结果表明应用幂律无法确定液态Ga所具有的唯一的分形维数。事实上,液态Ga的最近邻配位数随压力增加的现象导致其最近邻配位球在不同的压力作用下不存在几何上的自相似性,也就是说液态Ga的分形维数在压力的所用下将产生变化。基于渗逾模型,体系的多重幂指数行为随压力增加被限制在11.65-11.38?的关联长度范围内。超出这个范围的液态Ga体系呈现均匀状态,分形维数D_f=3。(4)利用X射线散射对Ga 330 K压力达3.7 GPa条件下的结构进行了研究,P-T范围涵盖了Ga体系的液态和固态区域。在温度和压力的作用下,液态Ga在3.4-3.7 GPa压力区间晶化,呈现由Ga-II和Ga-III构成的混合孪晶相。该晶化相与相图所显示的Ga-III相存在较大的偏差,表明该温压范围为亚稳区域。根据RMC拟合结果显示Ga熔体、Ga-II和Ga-III存在相似的结构模块,导致液态Ga能够形成Ga-II相和Ga-III相,同时根据经典成核理论可知Ga的亚稳行为与Ga-II和Ga-III可比较的成核几率相关。此外,330 K条件下还发现了较为罕见的2.4-3.4 GPa的液态亚稳区。两次实验中,在相同温压条件不同温压路径下观察到了不同的Ga相,表明Ga体系的液态和固态的亚稳行为与温压路径存在较密切的关系。综上所述,本论文首次通过X射线成像实验提供了直接测量得到的高压下液态Ga的密度,并发现在330 K温度条件下存在潜在压致液液相变;对液态Ga的高压局域结构进行了研究,并根据自由体积理论建立了Ga熔化模型;指出了液态Ga体系不同尺度范围内存在多重幂指数关系;发现了Ga在330 K温度条件下同时存在固态和液态亚稳区。本论文的研究成果进一步促进了Ga高压结构和物理特性的研究,有助于更深刻的了解这个特殊的元素。