鈣鈦礦與鈣鈦礦型材料的研究

班加星

摘 要：簡(jiǎn)要敘述有關(guān)鈣鈦礦的物化性質(zhì)，以及鈣鈦礦在地表的常見成因及產(chǎn)狀。了解鈣鈦礦獨(dú)特的八面體晶型結(jié)構(gòu)，及共頂橋氧連接方式，明確這種結(jié)構(gòu)的離子可替換性。簡(jiǎn)要介紹在離子可替換性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的材料優(yōu)化原理及應(yīng)用，具體敘述有關(guān)太陽(yáng)能電池板的應(yīng)用及原理。最后進(jìn)行簡(jiǎn)要的概括總結(jié)，提出自己的研究想法。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦 鈣鈦礦型材料 八面體晶型 共頂橋氧連接 離子替換 材料優(yōu)化

一、鈣鈦礦概述

1.鈣鈦礦的化學(xué)組成

主要成分是CaTiO3，氧化鈣的含量為41.24%，二氧化鈦的含量為58.76%，類質(zhì)同

象混入元素可有Na，K，Ce，F(xiàn)e，Nb，Ta，Nd，La等。

2.鈣鈦礦的成因

地表上的鈣鈦礦的形成主要原因有三種，分別是：第一，在地幔附近的鈣鈦礦隨著火山的噴發(fā)運(yùn)動(dòng)，跟隨巖漿被一起噴出地表。第二，在巖漿噴出的過(guò)程中，由于本身巖漿熱液的高溫，使得地表附近的黃長(zhǎng)石發(fā)生相變，最終形成鈣鈦礦。第三，由于隕石的撞擊，在高壓之下使地表的巖石發(fā)生相變，進(jìn)而也形成鈣鈦礦。

3.鈣鈦礦的單晶胞結(jié)構(gòu)

其中Ca2+占據(jù)晶胞的八個(gè)角頂，Ti4+占據(jù)的是晶胞的體心，O2-占據(jù)的是六個(gè)面的中心，O2-和半徑較大Ca2+形成面心立方最密堆積結(jié)構(gòu)，Ti4+填充在位于體心的八面體間隙中。

在離子共用及分配比例上看，在一個(gè)晶胞中平均有一個(gè)Ca2+，一個(gè)Ti4+，和三個(gè)O2-。因此，鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)通常簡(jiǎn)化成“113”式結(jié)構(gòu)。

4.鈣鈦礦晶胞間的組合方式及特點(diǎn)

晶胞與晶胞之間是相互平行重復(fù)排列的，八面體與八面體之間角頂與角頂相互連接，上下整齊的羅列在一起。

八個(gè)鈣鈦礦小晶胞，并且每一個(gè)小晶體之間都是以橋氧連接的，形成三維結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)泡利的配多面體連接規(guī)則，這種結(jié)構(gòu)比共棱、共面連接穩(wěn)定。同時(shí)，共頂連接使八面體之間的空隙比共棱、共面連接時(shí)要大得多，允許較大尺寸的粒子填入，即使產(chǎn)生大量的晶體缺陷時(shí)，仍然能保持結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)排列的方式，方便每個(gè)角上的離子的替換，化學(xué)性質(zhì)優(yōu)化更加容易。

二、鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池

1.鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料

在鈣鈦礦八面體結(jié)構(gòu)的影響之下，一系列的ABX3型結(jié)構(gòu)的分子材料應(yīng)運(yùn)而生。它們被統(tǒng)一叫做鈣鈦礦型材料，是一種半導(dǎo)體，我們得出在凝固態(tài)物理理論研究層面上，鈣鈦礦它既不含Ca，也不含Ti，同時(shí)也不是礦石，它們所指的鈣鈦礦型材料是具有ABX3結(jié)構(gòu)形式的物質(zhì)，這種物質(zhì)通常用來(lái)制作光伏電池等材料。

2. 鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化方式

對(duì)于ABX3型結(jié)構(gòu)的分子，我們可以對(duì)其每個(gè)位置進(jìn)行離子或離子團(tuán)級(jí)別的替換，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)分子性能的改變。尋找到合適的太陽(yáng)能電池材料也是通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)的。

3.鈣鈦礦型材料的最初優(yōu)化

在1978年Weber和Naturforsch首先報(bào)道了有機(jī)金屬鹵化物ABX3（在相應(yīng)的ABX3結(jié)構(gòu)位置對(duì)應(yīng)中，A為CH3NH3有機(jī)離子團(tuán)，B為Pb或Sn，X為Cl，Br或I）甲基銨首次在鹵化物鈣鈦礦中出現(xiàn)，而且通常為立方鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。有機(jī)金屬鹵化物CH3NH3MX3通常是作為一種半導(dǎo)體染料。

4.鈣鈦礦型材料作為太陽(yáng)能電池板的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)

這種優(yōu)化過(guò)的材料原子核對(duì)于核外電子的束縛能量不是很強(qiáng)，因此，這種鈣鈦礦型半導(dǎo)體染料在受到太陽(yáng)能的照射時(shí)，核外電子很容易擺脫原子核的束縛形成電流。這樣產(chǎn)生的激子只有約0.03電子伏的束縛能，在常溫下很容易形成自由電子與空穴。因此，正好滿足鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的供能需要，正是由于很容易形成空穴與電子，才更容易傳輸電流。

三、總結(jié)與展望

鈣鈦礦有很多作為寶玉石的優(yōu)良的物理性質(zhì)，并且也有很簡(jiǎn)單的化學(xué)組成，物質(zhì)組成先對(duì)來(lái)講比較均一，產(chǎn)狀很特殊，一般可以在火成巖中找到，在地表不是很常見，一般都在地幔附近，在地表的成因也很廣泛，一般是變質(zhì)生成的。

它的結(jié)構(gòu)也很特殊，具有八面體共頂以橋氧連接式結(jié)構(gòu)，相對(duì)來(lái)講比較穩(wěn)定，中間空隙很大，方便其他離子的填充，也正是由于它的這個(gè)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才更加方便其化學(xué)性質(zhì)的改變。

對(duì)于由此結(jié)構(gòu)引申出的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)而言，正是具備了共頂連接式結(jié)構(gòu)才方便其他礦質(zhì)或有機(jī)質(zhì)離子的替換，才方便于物化性質(zhì)的改變，鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池板就是根據(jù)這一特點(diǎn)制造出的。

對(duì)于以后的工作，我們可以加大對(duì)不同位置有機(jī)離子的替換，來(lái)發(fā)現(xiàn)具有更多更新奇物化性質(zhì)的離子，應(yīng)用到我們的生產(chǎn)生活當(dāng)中去，這樣我們也能更好的發(fā)覺這種結(jié)構(gòu)的價(jià)值。

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