npj:鈣鈦礦—氧硫陰離子順式排列引起鐵電性

2021-02-13 知社學術圈

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息,整合資源

交流學術,偶爾風月

鈣鈦礦化合物(通式為ABX3)是一類功能豐富的材料,在催化、電子設備、傳感器和能量存儲等領域具有廣泛應用。通常,鈣鈦礦的性質對微小的結構變化十分敏感,例如:金屬陰離子八面體的旋轉、變形和傾斜。在氧硫化鈣鈦礦中(或更廣泛地在異質陰離子鈣鈦礦中),B-位八面體配位受兩個或多個陰離子控制。原則上,給定金屬離子周圍的不同陰離子構型可能導致不同級別的晶體場強度、鍵合特性和局部極化,進而決定了基態的結構和功能。儘管混合陰離子鈣鈦礦具有豐富的潛在結構-性質關係,但是,對混合硫族化物鈣鈦礦中陰離子順序的研究仍然很少。

來自美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Pilania博士及其合作者,利用第一性原理研究了AB(O0.5S0.5)3鈣鈦礦中A = Ca、Sr、Ba和B = Ti、Zr、Hf的陰離子有序。他們首先分析了20個原子構成的AB(O0.5S0.5)3超胞中所有246個獨特對稱性構型,並提煉出控制其相對能量和帶隙變化的各種因素。證明了陰離子排序始終是圍繞HfO3S3八面體的陰離子全順式排列。這種有序趨勢的起源可追溯到電子、彈性和靜電作用的綜合穩定效應。這些定性概念也可以使用最新的機器學習模型進行量化。他們進一步研究了所確定的有序排列的相對穩定性,該相對穩定性是A和B位點化學的函數。他們還探測了材料的電子結構和功能性依賴於化學反應的趨勢。值得指出的是,他們發現確定的基態陰離子有序打破了反演對稱性,從而創建了一個宏觀極化大於30 μC/cm2的氧硫化物鐵電體家族,對電子材料應用具有重要的前景。該文近期發表於npj Computational Materials 6: 71 (2020),英文標題與摘要如下,點擊左下角「閱讀原文」可以自由獲取論文PDF。

Anion order in oxysulfide perovskites: origins and implications 

Ghanshyam Pilania, Ayana Ghosh, Steven T. Hartman, Rohan Mishra, Christopher R. Stanek & Blas P. Uberuaga 

Heteroanionic oxysulfide perovskite compounds represent an emerging class of new materials allowing for a wide range of tunability in the electronic structure that could lead to a diverse spectrum of novel and improved functionalities. Unlike cation ordered double perovskites—where the origins and design rules of various experimentally observed cation orderings are well known and understood—anion ordering in heteroanionic perovskites remains a largely uncharted territory. In this contribution, we present and discuss insights that have emerged from our first-principles-based electronic structure analysis of a prototypical anion-ordered SrHf(O0.5S0.5)3  oxysulfide chemistry, studied in all possible anion configurations allowed within a finite size supercell. We demonstrate that the preferred anion ordering is always an all-cis arrangement of anions around an HfO3S3 octahedron. As a general finding beyond the specific chemistry, the origins of this ordering tendency are traced back to a combined stabilization effect stemming from electronic, elastic, and electrostatic contributions. These qualitative notions are also quantified using state-of-the-art machine learning models. We further study the relative stability of the identified ordering as a function of A (Ca, Sr, Ba) and B (Ti, Zr, Hf) site chemistries and probe chemistry-dependent trends in the electronic structure and functionality of the material. Most remarkably, we find that the identified ground-state anion ordering breaks the inversion symmetry to create a family of oxysulfide ferroelectrics with a macroscopic polarization >30 μC/cm2, exhibiting a significant promise for electronic materials applications. 

本文系網易新聞·網易號「各有態度」特色內容

媒體轉載聯繫授權請看下方

相關焦點

  • npj:鈣鈦礦—氧硫陰離子順式排列引起鐵電性
    通常,鈣鈦礦的性質對微小的結構變化十分敏感,例如:金屬陰離子八面體的旋轉、變形和傾斜。在氧硫化鈣鈦礦中(或更廣泛地在異質陰離子鈣鈦礦中),B-位八面體配位受兩個或多個陰離子控制。原則上,給定金屬離子周圍的不同陰離子構型可能導致不同級別的晶體場強度、鍵合特性和局部極化,進而決定了基態的結構和功能。儘管混合陰離子鈣鈦礦具有豐富的潛在結構-性質關係,但是,對混合硫族化物鈣鈦礦中陰離子順序的研究仍然很少。
  • 浙大王傑課題組揭示層狀鈣鈦礦中晶格畸變競爭的新機制
    ,氧八面體旋轉與Rumpling晶格畸變之間競爭的新機制。基於第一性原理計算,並結合泡利準則和價鍵理論分析,該研究發現在層狀鈣鈦礦SrTb2Fe2O7中,界面Rumpling同樣可以優化陰離子與陽離子的相對位置,進而取代八面體旋轉的作用。在界面Rumpling存在的情況下,如果進一步出現八面體旋轉,會過度改變配位環境,增大原子間的泡利斥力,從而使體系的能量升高。
  • npj:富鋰電極—陰離子氧化還原計算新框架
    Li2MnO3是富鋰陰極材料之一,其中陰離子氧化還原對其高理論容量(約460 mAh g-1)起主要作用。但是,陰離子氧化還原過程也會導致氧氣的不可逆轉,從而致使容量快速衰減和潛在危險。在抑制不可逆過程的同時促進可逆的陰離子氧化還原過程,成為當前的研究熱點。優化可逆性需要深入了解陰離子氧化還原過程,例如,氧的局部環境與其氧化還原活性之間的關係。
  • 鈣鈦礦電池AM:鐵電極化一照有、光伏遲滯三元無
    一些人可能認為有機無機雜化鈣鈦礦的鐵電極性只是一個純學術問題,與太陽能電池的性能並沒有太大的關係。但早期的一些計算表明,鐵電性所引起的退極化電場,有助於其光生載流子的分離,甚至可以在鐵電疇界形成高速的載流子傳輸通道,引起了不少人的興趣。而後來所發現的光伏JV曲線遲滯現象,也讓人聯想到鐵電遲滯,提出光伏遲滯源自鐵電遲滯。
  • 鐵電性及其發現歷史
    ,材料中的偶極子有序排列,而這些極化可以通過對材料施加外電場而翻轉。鐵電性與晶體結構對稱性:一般認為,物質在呈現鐵電性時的晶體結構的對稱程度要比其順電性時的對稱程度要低,也可以認為鐵電性來自於順電性物質的晶體結構的微小變形(Ferroelectric behavior of a material originates in the small distortion of
  • 最新《Nature》:直接在矽上生長的超薄膜具有增強的鐵電性!
    然而,在普遍存在的鈣鈦礦氧化物中,鐵電性能通常被限制在幾nm的尺度上,鐵電性能會隨著鐵電材料的變薄而不斷被削弱。同時根據第一性原理計算預測,由於去極化的不完全屏蔽,鈣鈦礦鐵電體的臨界厚度為6個晶胞。鈣鈦礦中的原子級鐵電常常無法證明極化轉換,這對於應用是至關重要的。此外, 在矽上合成鐵電鈣鈦礦薄膜的嘗試受到化學不相容和外延生長所需的高溫的阻礙。
  • 具有軟陰離子晶格的高導電性抗鈣鈦礦
    一種新的原子結構排列方式顯示出開發更安全的固體材料電池的希望。京都大學綜合電池材料科學研究所(iCeMS)的科學家設計了一種新型的 "抗鈣鈦礦",有望取代目前鋰離子電池中使用的易燃有機電解質。他們的研究結果發表在《Nature Communications》雜誌上。
  • ​最新《Nature》:直接在矽上生長的超薄膜具有增強的鐵電性!
    鈣鈦礦中的原子級鐵電常常無法證明極化轉換,這對於應用是至關重要的。此外, 在矽上合成鐵電鈣鈦礦薄膜的嘗試受到化學不相容和外延生長所需的高溫的阻礙。自從2011年發現HfO2基薄膜的鐵電以來,螢石結構氧化物(螢石)引起了相當大的興趣,原因在於它們在矽上能夠低溫合成和保形三維結構。因此,在互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容性和厚度縮放方面,克服了許多限制其鈣鈦礦鐵電材料的問題。
  • 上海交大郭益平教授團隊在寬光譜吸收高壓電鐵電鈣鈦礦的研究中...
    但是鐵酸鉍的鐵電性壓電性能不夠高,而且無法實現對可見光的全譜吸收(Eg~2.7eV)。雖然已有研究提出能夠在鈣鈦礦氧化物ABO3的B位進行摻雜可同時實現可見光的全譜吸收和鐵電性,但是這類材料往往由於伴隨著氧空位缺陷的引入導致漏電而只能保有非常弱的鐵電壓電性。因此科學家一直在尋找一種有效的途徑來實現鐵電鈣鈦礦材料能夠同時具有高的室溫鐵電壓電性和對可見光的全譜吸收。
  • 在鈣鈦礦中加入反雜交鈣鈦礦
    由於有機離子位置的改變,這種反結構可以克服當前混合鈣鈦礦光伏電池的穩定性問題。此外,反雜化鈣鈦礦表現出離子固有的偏心位移,導致具有大的極化性。本文結合鈣鈦礦雜化和反鈣鈦礦的概念,提出了一類新的反雜化鈣鈦礦。通過使用量子濃縮液進行精確密度泛函計算,我們給出了各種不同的X3BA化合物X=CH3NH與單價(a−)和二價陰離子(a2−)結合的結果。
  • 科學家在鈣鈦礦結構DyCrO3單晶中觀測到量子順電效應
    最近有理論計算及實驗結果表明,具有鈣鈦礦結構的AMnO3 (A=Ba、Sr、Ca)材料能夠實現磁性和鐵電性共存,其磁性和鐵電性均起源於其具有特殊的  鈣鈦礦結構DyCrO3中量子順電行為的發現,為進一步尋求突破鐵電性中所謂的d0規則,實現由於磁性過渡金屬離子
  • npj:鈣鈦礦結構和電子性質—分層卷積神經網絡機器學習
    金屬滷化物鈣鈦礦(MHP),尤其MAPbI3 (MA=CH3NH3),是目前研究最多的太陽能電池材料,其功率轉換效率(PCE)約為25.2%,超過了目前商業化的太陽能電池,如多晶矽(c-Si,21.3%)、碲化鎘(CdTe,22.1%)和銅銦鎵硒(CIGS,22.3%)。但是,與傳統的太陽能電池材料相比,MHP的主要優點是它們易於大規模合成且成本相對較低。
  • Science重磅:陰離子工程助力26.7%效率的鈣鈦礦/矽串聯電池
    苯乙銨(PEA)二維添加劑的陰離子工程對於控制基於PbI2骨架的二維鈍化層的結構和電學性能至關重要。頂部和底部電池光譜響應的理想組合使得單片兩端子寬帶隙鈣鈦礦/矽串聯太陽能電池具有26.7%的PCE。 圖文解讀 寬帶隙鈣鈦礦的陰離子工程
  • 東南大學科研團隊發現新型三維滷化鉛鈣鈦礦分子鐵電材料
    有機-無機雜化鈣鈦礦材料常因其獨特結構而存在鐵電性,鐵電材料與生俱來的自發極化特性,且自發極化在外電場作用下可翻轉應運而生了鐵電異樣光伏效應,這為新一代鈣鈦礦太陽能電池注入了新的活力。鐵電異樣光伏效應依靠極化誘導內建電場的產生,從而促進光生載流子分離。該特性常伴隨鐵電半導體中諸多光電現象的產生。
  • 混合陰離子滷化鉛鈣鈦礦納米棒晶格畸變致其具有較高螢光各向異性
    然而,鈣鈦礦納米材料的成核和生長速率過快,導致鈣鈦礦納米材料的定向生長十分困難。同時,立方型和正交型鈣鈦礦的晶體結構均是對稱的,這對鈣鈦礦納米杆的生長也是一個大的挑戰,因而長期以來這類材料的螢光各向異性值都較低。
  • AM:多功能聚合物調節的SnO2納米晶體,實現高效率鈣鈦礦太陽能電池
    鈣鈦礦型太陽能電池(PSCs)由於具有較高的功率轉換效率(PCE)和簡單的溶液製備工藝,在過去的十年裡引起了廣泛的研究關注
  • 3D成像技術揭開了鈣鈦礦晶體性質!
    鈣鈦礦是一種具有電氣絕緣體、半導體、金屬或超導體性質的礦物,其性質取決於其原子和電子的排列。鈣鈦礦晶體中有一組不同尋常的氧原子,它們組成了一個八面體——一個八面的多邊形。氧原子的這種排列就像一個籠子,可以容納周期表中大量的元素原子。此外其他原子可以固定在籠外立方體的各個角落的精確位置,以改變材料的性質,例如將金屬變成絕緣體,或將非磁鐵變成鐵磁體。
  • ​東南大學團隊成功製備世界首例無金屬鈣鈦礦型鐵電體
    相關研究結果以「Metal-Free Three-Dimensional Perovskite Ferroelectrics(無金屬三維鈣鈦礦鐵電體)」為題於美國東部時間2018年7月13日被世界頂級學術期刊「Science(科學)」雜誌在線發表。   常見的鈣鈦礦材料主要有兩種,無機鈣鈦礦和有機-無機雜化型鈣鈦礦。
  • 山西大學分子科學研究所在鈣鈦礦太陽能電池研究方面取得重要進展
    近日,山西大學分子科學研究所韓高義教授課題組在鈣鈦礦太陽能電池(PSC)研究方面取得重要進展,相關成果以山西大學為第一單位在國際權威期刊《德國應用化學》( Angew. Chem. Int. Ed.)在製備鈣鈦礦太陽能電池(PSC)時,快速的結晶過程和複雜的結晶條件會導致生成的鈣鈦礦薄膜中存在大量缺陷,從而影響PSC的光電轉換效率和穩定性。因此製備缺陷較少或無缺陷的鈣鈦礦薄膜,對於提高PSC的綜合性能具有重要意義。