基于多面體畸變的高性能鈣鈦礦及衍生物的合成研究進(jìn)展

方成 汪洪3)4)5)? 施思齊

1) (中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司,綠色建筑材料國家重點實驗室,北京 100024)

2) (中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司,太陽能與建筑節(jié)能玻璃材料加工技術(shù)北京市重點實驗室,北京 100024)

3) (上海交通大學(xué)材料基因組聯(lián)合研究中心,上海 200240)

4) (上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

5) (上海交通大學(xué)張江高等研究院,上海 201203)

6) (上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200444)

7) (上海大學(xué)材料基因組工程研究院,上海 200444)

以鈣鈦礦為代表的共點配位多面體晶體(CSCPC)具有獨特而豐富的光、電、磁性質(zhì),在多鐵材料、快離子導(dǎo)體、光電催化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景.在眾多CSCPC 中,具有優(yōu)異理化性質(zhì)的相只是極少數(shù).因此,如何通過結(jié)構(gòu)調(diào)控獲得這些相,一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點和“卡脖子”問題.受此啟發(fā),本文從相結(jié)構(gòu)的角度評述了近年來高性能CSCPC 的合成研究,以期明確相轉(zhuǎn)變的內(nèi)在規(guī)律,并揭示其中所蘊藏的相調(diào)控機制.首先系統(tǒng)地總結(jié)了CSCPC 中常見的多面體和晶格骨架的類型,并將多面體畸變大致分為偏移、轉(zhuǎn)動、變形三大類.以此為基礎(chǔ),對各類材料合成方案進(jìn)行分析和歸納,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的合成方案多依賴于宏觀尺度上對溫度、壓力、組分等外部物理條件的改變.近年來,新興的合成方案聚焦于對多面體幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微觀調(diào)控,如利用容忍因子和基板趨近效應(yīng)來構(gòu)造相結(jié)構(gòu).它們在本質(zhì)上都遵循著共同的相調(diào)控機制,即通過引發(fā)多面體的畸變來誘導(dǎo)晶體轉(zhuǎn)變成具有目標(biāo)屬性的相結(jié)構(gòu).不同的是,后者具有更強的目標(biāo)導(dǎo)向性,但其適用面還局限在配位八面體的轉(zhuǎn)動體系,如何拓展其應(yīng)用范圍尚存挑戰(zhàn)性.此外,“明確引發(fā)畸變的根源及各畸變間相互作用” 以及“基于計算機科學(xué)的定制化指導(dǎo)”都是優(yōu)化合成方案的未來方向.本文所做的調(diào)研和評述以期為高性能CSCPC 材料的設(shè)計和制備提供一些思路和啟發(fā).

1 引言

共點配位多面體晶體(corner-shared coordination polyhedral crystal,CSCPC)是指一類由配位多面體以共用頂點的方式首尾相連構(gòu)成的晶體,其中的典型是鈣鈦礦和由其結(jié)構(gòu)畸變衍生得到的類鈣鈦礦.近半個多世紀(jì)以來,CSCPC 一直占據(jù)著較高的關(guān)注熱度,也迎來了快速發(fā)展.如用于固態(tài)照明的層狀混合鹵化物鈣鈦礦[1],用于能量存儲的反鐵電AgNbO3[2]以及用于傳感器的無鉛壓電(K1/2Bi1/2)(Mg1/3Nb2/3)O3[3]等.

由于CSCPC 涵蓋了更多的晶體種類,其結(jié)構(gòu)特點與廣為熟知的鈣鈦礦或類鈣鈦礦存在差異,主要異同如下.一方面,整個CSCPC 家族仍保留著和鈣鈦礦相近似的占據(jù)位A,B和X(分別對應(yīng)于圖1 的黃、藍(lán)和紅球).即,B位于配位多面體的體心,并通過共價鍵(多數(shù)情況)或離子鍵與配位多面體各頂點上的X相連;A嵌入在被這些配位多面體包圍的空穴多面體內(nèi).任意一種占據(jù)位置都可被同時分配給數(shù)種粒子[4],包括不同的原子、離子、帶電分子(如[5]),甚至是空位[6-8].另一方面,CSCPC 的化學(xué)計量比并非總是1∶1∶3,且擁有更多類型的配位多面體以及更加靈活的配位多面體排布方式.這一與鈣鈦礦截然不同的特點,使得CSCPC 的各占據(jù)位擁有更加多樣化的配位環(huán)境.比如,對于配位八面體圍繞A位形成的空穴多面體,它在鈣鈦礦中是單一的截半立方(十二配位)類型,而在NaSr2Nb5O15中則是同時包含截半立方、五帽五角棱柱(十五配位)和三帽三角棱柱(九配位)的混合類型[9].

圖1 部分CSCPC 的結(jié)構(gòu)、晶格骨架和畸變類型的示意圖 (a)由配位八面體構(gòu)成的類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和(b)由配位四面體構(gòu)成的方鈉石結(jié)構(gòu),以及根據(jù)二者分別推演出的(d)簡立方的(三維)晶格骨架和(e)球狀的(高維度)晶格骨架;(c) 拉伸狀的Jahn-Teller 畸變和 (f) C4 類型的二階Jahn-Teller 畸變.黃球、藍(lán)球和紅球分別代表A,B 和X 位的原子/離子Fig.1.Demonstration examples of some CSCPC structures,crystal frameworks and distortion types: (a) Perovskite-like structure constructed by coordination octahedra;(b) sodalite structure constructed by coordination tetrahedra;(d) simple cubic framework(three dimensions,derived from (a));(e) globular framework (more than three dimensions,derived from (b));(c) octahedral elongation of Jahn-Teller distortion;(f) C4 type of second-order Jahn-Teller distortion.Atoms/Ions at A,B and X sites are represented by yellow,blue and red spheres,respectively.

眾所周知,同一鈣鈦礦經(jīng)過結(jié)構(gòu)畸變可以衍生得到各種性質(zhì)不同的類鈣鈦礦.與這一概念相似,通過上述結(jié)構(gòu)因素的變化,可以由同一CSCPC 母相衍生出各種具有不同光、電、磁等性質(zhì)的衍生相.一些衍生相展示出了優(yōu)異且獨特的理化性質(zhì),并可分類如下: 鐵電(如LiNbO3[10])、鐵磁(如SrRuO3[11])、多鐵(如BiFeO3[12])、壓電(如PbZr1-xTixO3[11])、熱電(如NaSr2Nb5O15[9])、介 電(如CaCu3Ti4O12[13])、光電(如CH3NH3PbI3[14])、非線性光學(xué)行為(Ba2Na Nb5O15[15])、龐磁電阻(如La1-xCaxMnO3[16])、離子導(dǎo)體(如La2/3-xLi3xTiO3[7])、超導(dǎo)(如Ba1-xKxBiO3[17])、半金屬導(dǎo)體(如Sr2FeMoO6[17])和催化(如SrTa O2N[18]).相應(yīng)地,這些CSCPC 的相有望被應(yīng)用于電和/或磁存儲介質(zhì)、移動通信、壓電傳感器、熱電探測器、高介電容器、光伏、激光器、磁動電阻器、固態(tài)電解質(zhì)、超導(dǎo)材料、自旋電子學(xué)器件、光催化等多個領(lǐng)域.

然而,具有優(yōu)異理化性質(zhì)的CSCPC 相只是眾多CSCPC 中的極少數(shù).探究引起這些性質(zhì)優(yōu)異的CSCPC 相與其他CSCPC 相的性質(zhì)差別在結(jié)構(gòu)上的根源一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點和“卡脖子”問題.已取得了一些客觀的研究進(jìn)展.例如,Bi 和Fe 遠(yuǎn)離各自多面體中心的偏移以及FeO6八面體的轉(zhuǎn)動導(dǎo)致BiFeO3衍生出了三方相、多種正交相以及單斜相.這些相對應(yīng)著擁有反鐵磁性/順磁性和鐵電性/順電性,但只有同時擁有反鐵磁性和鐵電性的三方相最有望作為多態(tài)存儲介質(zhì)[12,19-21].類似的“結(jié)構(gòu)-屬性”對應(yīng)關(guān)系還有: Ta 的偏移和配位八面體的傾斜會作用于LiNb1-xTaxO3的雙折射特性[22];La0.67Sr0.33MnO3原本所具有的各向等角度的八面體轉(zhuǎn)動體系會因其生長在NdGaO3或(LaAlO3)0.3-(Sr2AlTaO6)0.7(110) 基板上而轉(zhuǎn)變成一種非平衡狀態(tài)的傾斜模式,進(jìn)而呈現(xiàn)出平面內(nèi)的單軸磁各向異性[16].對這些例子進(jìn)行歸納可知,導(dǎo)致相與相不同的本質(zhì)是二者間的結(jié)構(gòu)演化中出現(xiàn)的各種原子/離子位移,且它們可以按位移特征以及所在多面體(包括配位多面體和空穴多面體)的不同被劃分成各種多面體畸變.從本質(zhì)上說,設(shè)計和制備高性能CSCPC 材料常采用的各種合成方案都是通過對多面體畸變的操控來實現(xiàn)目標(biāo)相結(jié)構(gòu)的合成以及對應(yīng)優(yōu)異屬性的獲取.

為深入揭示這種針對特定結(jié)構(gòu)下的高性能材料合成的理念,本文從CSCPC 的相及其轉(zhuǎn)變的角度評述了實驗和第一性原理計算上為實現(xiàn)相結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)屬性的調(diào)控所取得的研究進(jìn)展,具體內(nèi)容共包括4 個部分:

1) 從多面體的類型和串聯(lián)多面體的晶格骨架的角度,對它們構(gòu)造出的CSCPC 相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.

2) 基于對相結(jié)構(gòu)的理解,對相轉(zhuǎn)變中涉及到的各種多面體畸變進(jìn)行分析.

3) 基于對多面體畸變的理解,對不同結(jié)構(gòu)尺度下的CSCPC 合成方案進(jìn)行分析并評述了相關(guān)案例.

4) 根據(jù)案例闡述的目前已實現(xiàn)的各項突破和待解決的諸多難題,預(yù)測了后期需要重點關(guān)注的方向.以期能以此為后續(xù)的材料研發(fā)提供一定的借鑒和參考.

2 CSCPC 的相結(jié)構(gòu)特征和分類

沿CSCPC 的各B–X鏈的延伸方向繪制出對應(yīng)的直線或曲折線可構(gòu)筑起一個立體的網(wǎng)狀模型,這里將其稱之為“晶格骨架”.這樣,CSCPC 就能被視為把(可包含有畸變的)配位多面體通過共用頂點連接成的一條條多面體長鏈串到晶格骨架上所形成的晶體,所以CSCPC 可按1)配位多面體的類型(參見圖1(a)和圖1(b))和2)晶格骨架的類型(參見圖1(d)和圖1(e))來分別分類.

1) CSCPC 中存在的配位多面體,除了像雙錐六面體MnO5[23]這樣的少數(shù)情況,一般僅包含四面體和八面體兩種類型.據(jù)此,CSCPC 可被分成3 類.

①“共點配位八面體晶體(corner-shared coordination octahedral crystal,CSCOC,如Ca0.28Ba0.72Nb2O6[24])”.CSCOC 因包含了整個(類)鈣鈦礦家族,涵蓋的晶體種類在目前這3 個類別中最多.

② “共點配位四面體晶體(corner-shared coordination tetrahedral crystal,CSCTC,如CsZn PO4[25])”.

③八面體和四面體共存的“混合共點配位多面體晶體(corner-shared mixed coordination polyhedral crystal,CSMCPC,如Li2Ge7O15[26])”.

2) 將CSCPC 中具有相同延伸方向的B–X鏈規(guī)定為屬于同一組鏈,進(jìn)而根據(jù)這些鏈組的數(shù)量和類型可將晶格骨架及其所對應(yīng)的CSCPC 分成3 類.

①B–X鏈均沿直線延伸且最多只有3 組非共面的鏈延伸方向的CSCPC.它們常呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),比如同時具有簡立方狀網(wǎng)格[27]和六芒星狀網(wǎng)格[28]這兩種晶格骨架的WO3.

②B–X鏈并非總沿直線延伸且/或有超過3 個組的B–X鏈沿更多維度進(jìn)行交聯(lián)的復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).比如,以四邊形和六邊形構(gòu)成的球狀網(wǎng)格為重復(fù)結(jié)構(gòu)的方鈉石和日光榴石[29];又比如,因在立方網(wǎng)格中間隔性地出現(xiàn)單個方格的45°轉(zhuǎn)動而形成的Ba4.17Na1.67Nb10O30[30]和前面提到的NaSr2Nb5O15.

③在B–X鏈交聯(lián)形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)斷層的非嚴(yán)格定義的CSCPC.其中的斷層類型包括:X層、A–X層、含有不同于網(wǎng)格中元素的新晶體層,與之對應(yīng)的CSCPC 結(jié)構(gòu)被分別稱為Carpy-Galy結(jié)構(gòu)[31]、Ruddlesden-Popper 和Dion-Jacobson 結(jié)構(gòu)(二者斷層的A占比不同)[32,33]、Aurivillius 結(jié)構(gòu)(含Bi2O2斷層)[34].

3 CSCPC 的畸變及其作為獲取高性能相結(jié)構(gòu)的判定指標(biāo)

通過上面對相結(jié)構(gòu)的分類可知,影響它的因素主要有3 點: 1) 配位多面體的類型;2) 晶格骨架的類型;3) 多面體的畸變.通常,材料的設(shè)計和制備只會聚焦在某一(種) CSCPC 上,所以因素1)是已知且無法變動的.另外,同種CSCPC 的不同晶格骨架間發(fā)生轉(zhuǎn)變的可能性很低.因為一旦發(fā)生,勢必會導(dǎo)致原子/離子的大范圍重排,這意味著整個體系的能量會在跟隨因素2)發(fā)生變化的過程中出現(xiàn)一個難以逾越的勢壘.所以,當(dāng)前的研究背景涉及到的相與相之間的差異和相互演化只能是由因素3)導(dǎo)致的.比如,WO3在升溫過程中發(fā)生的“單斜(ε) → 三斜(δ) → 單斜(γ) → 正交(β) →四方(α)”多次相轉(zhuǎn)變正是分別由W 的偏移和WO6八面體的轉(zhuǎn)動各自或共同作用導(dǎo)致[27,35].進(jìn)一步,畸變的類型、幅度和相對位置(相位)關(guān)系也就成為了判定對相結(jié)構(gòu)的調(diào)控是否滿足材料研發(fā)預(yù)期的三項重要指標(biāo).相關(guān)的類型介紹和指標(biāo)判定實例可分別參見文獻(xiàn)[11,36,37]以及后文給出的案例.

事實上,目前在鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)表征中被廣泛采用的Glazer 符號a?b?c?[38]正是為描述立方狀網(wǎng)格中配位八面體轉(zhuǎn)動的幅度和相對位置關(guān)系而制定的.具體地說,它是在沿立方網(wǎng)線構(gòu)建的直角坐標(biāo)系中用a,b和c分別表示配位八面體繞x,y和z軸轉(zhuǎn)動的角度,并在每個角度的上標(biāo)*處用+、-或0 表示所對應(yīng)坐標(biāo)軸方向上的相鄰兩個配位八面體呈同相位轉(zhuǎn)動、異相位轉(zhuǎn)動或無轉(zhuǎn)動.但同時也應(yīng)注意到該符號的適用面尚存在著較大的局限性: 一方面,(類)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)并非總是由兩個B–X層重復(fù)堆疊而成的.比如,NaNbO3的P相沿y軸的堆疊周期是4 個B–X層.只有近似認(rèn)為它的轉(zhuǎn)動體系是由兩個子轉(zhuǎn)動體系拼接而成,才能給出相應(yīng)的Glazer 符號,即a-b+a-和a-b-a-[39].另一方面,CSCPC 包含的畸變類型也并不局限于配位八面體的轉(zhuǎn)動,它可以分為如下3 個大類.

1) 陽離子的偏移,包括A偏離于多面體空穴中心和B偏離于配位多面體的體心.它們常由二階Jahn-Teller 效應(yīng)引發(fā),且此時A多為含孤電子對的陽離子,B多為d0過渡金屬陽離子(在配位八面體中分為朝頂點C4、棱C2和面C3的偏移,參見圖1(f))[40].將A的極性偏移產(chǎn)生的非本征鐵電性與B的鐵磁性相結(jié)合是設(shè)計多鐵材料的常見思路,比如前面提到的BiFeO3.此外,離子偏移的方式并不局限于相鄰?fù)N離子間的同向和反向平行偏移,比如存在A偏移后呈類似于正弦波曲線的排布,即Ising 型和Néel 型的混合極化模式[41].

2)配位多面體的變形,常由原本處于各等效位的X的非對稱或非集體性對稱的移動所造成.比如,Jahn-Teller 效應(yīng)引發(fā)的配位八面體的拉伸/壓扁(參見圖1(c))[42],兩相鄰配位多面體內(nèi)B的尺寸差異過大導(dǎo)致處于它們之間的X朝小尺寸B的偏移[11].

3) 配位多面體的整體運動,除前面提到的傾斜/旋轉(zhuǎn)外[38],常見的還有配位四面體集體沿B–X層的平移[43].

針對上述存在于不同CSCPC 中的各類畸變,如何給出一套普適的方案來將它們的三項指標(biāo)合理且直觀地描述/呈現(xiàn)出來,以便用于判斷對應(yīng)相結(jié)構(gòu)調(diào)控的成功與否,是在今后的研究中亟待解決的一個難題.此外,檢測晶體結(jié)構(gòu)常用到的傳統(tǒng)衍射技術(shù)對多面體轉(zhuǎn)動等一些微小畸變及其相關(guān)指標(biāo)并不敏感[44],所以實驗上更高精度的觀測手段(參見圖4(e)和圖4(f),它們分別引用自文獻(xiàn)[37]中的圖2(d)和圖2(e)),結(jié)合第一性原理等理論計算上的微觀模型驗證/預(yù)測是目前在CSCPC 材料的設(shè)計和制備中采用的較為有效的一種研究手段.這點在第4 節(jié)列舉的多個案例中均有所體現(xiàn).

圖2 BaTiO3 在光載流子濃度n 分別為(a) 0.07 e/f.u.和(b) 0.12 e/f.u.時的體布里淵區(qū)中由第十和第十一聲子分支形成的節(jié)線和節(jié)環(huán),以及兩種光載流子濃度n 下分別對應(yīng)的聲子色散(c)和(d),引用自文獻(xiàn)[51]Fig.2.Nodal lines and nodal rings formed by the 10th and 11th phonon branches in the bulk Brillouin zone for photoexcited carrier concentrations n of (a) 0.07 and (b) 0.12 e/f.u.in BaTiO3;The corresponding phonon dispersions are shown in (c) and (d),respectively.Four images are cited from Ref.[51].

4 CSCPC 的相結(jié)構(gòu)和對應(yīng)屬性的調(diào)控機制

眾所周知,大部分CSCPC 會因溫度[45]、壓力[21]、應(yīng)力[46]或化學(xué)計量比(多指嵌入的A的含量)[47]等實驗合成條件的變化而發(fā)生相轉(zhuǎn)變,所以當(dāng)前主流的合成方案依然是從宏觀角度出發(fā),尋找一個合適的外部物理條件來誘導(dǎo)CSCPC 轉(zhuǎn)變到具有目標(biāo)屬性的特定相上.當(dāng)然,也有研究人員注意到了CSCPC 中各配位多面體受“共點相連”所束縛的結(jié)構(gòu)特征,各原子/離子因尺寸和電子構(gòu)型在配位環(huán)境中表現(xiàn)出的成鍵特性以及排布方式等諸多微觀因素,從根源上,即多面體拓?fù)浜蛶缀蔚慕嵌?制定出了目的性更加明確的材料合成方案.此類方案大多都源自一個共同的理論基礎(chǔ): 通過微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局部屬性的疊加來決定材料的宏觀屬性[48,49].比如,在典型的局域偶極矩排布的例子中,一些陽離子同向、反向或雜亂的偏移會對應(yīng)產(chǎn)生鐵電、反鐵電或順電的屬性[20,50].本文對目前常采用的合成方案所蘊藏的相調(diào)控機制進(jìn)行了總結(jié)并以此將其劃分成了3 類.下面,將分別引用相關(guān)例子進(jìn)行詳細(xì)闡述.

4.1 基于外部物理條件的調(diào)控

相關(guān)案例的詳情可參見前面對應(yīng)每個合成條件給出的引用文獻(xiàn).考慮到它們在傳統(tǒng)的實驗合成中足夠普遍,這里不再贅述,僅重點分析對應(yīng)的理論計算案例.

Peng 等[51]通過聲子譜計算聚焦于BaTiO3的四方相中的拓?fù)渎曌右蚬庵录ぐl(fā)導(dǎo)致的變化,即節(jié)環(huán)的產(chǎn)生及其朝節(jié)線的轉(zhuǎn)變、Weyl 點的產(chǎn)生和湮滅.同時,他們認(rèn)為拓?fù)渎曌訌V泛存在于鈣鈦礦中,所以一旦將上述理論擴展到PbTiO3和SrTiO3的四方相以及其他相關(guān)的相結(jié)構(gòu)中,就可以知道本文提及的光載流子濃度、溫度、應(yīng)力等宏觀條件引發(fā)的相變都可以從拓?fù)渎曌拥慕嵌冉o予了一個相對較為合理的解釋.比如,BaTiO3的光載流子濃度超過0.10e/f.u.時發(fā)生的從四方相向立方相的轉(zhuǎn)變就與布里淵區(qū)中R點附近的位于qx=0 和qy=0的平面處的兩節(jié)環(huán)的生成相關(guān)(參見圖2).另外,通過觀察上述3 個鈦酸鹽的四方相的聲子分支中的點、線、環(huán)在布里淵區(qū)中的分布,發(fā)現(xiàn)它們與Ti在二階Jahn-Teller 效應(yīng)作用下可能表現(xiàn)出的各種偏移取向(即前面提到的C4,C2和C3)也是緊密關(guān)聯(lián)的.這些都在一定程度上說明當(dāng)前已知的各種基于外部物理條件的宏觀合成方案在本質(zhì)上仍然是對某些微觀結(jié)構(gòu)因素的改變.

不過,具體到對應(yīng)的機制解釋,目前還沒能達(dá)成普遍的共識.比如,Yoshida 等[52]就從電子能帶結(jié)構(gòu)的角度對畸變的生成給出了另一套解釋,他們結(jié)合相應(yīng)的計算提出了一種能帶折疊的設(shè)想,并以此認(rèn)為像配位多面體的傾斜/旋轉(zhuǎn)這樣的非0-q偏移,其實也和某些A/B的偏移(0-q)一樣,由二階Jahn-Teller 效應(yīng)引發(fā)的.同時,該設(shè)想也很好地與“能量-結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性”的關(guān)系相印證.

因此,未來還有待更多的深入研究來揭示宏觀合成方案與微觀結(jié)構(gòu),甚至是接下來列舉的微觀合成方案間的內(nèi)在機制關(guān)聯(lián).這一舉措意義重大,因為目前對于大多數(shù)的宏觀合成方案而言,相關(guān)的內(nèi)在機制并不明朗.這意味著難以通過外部物理條件實現(xiàn)對相結(jié)構(gòu)特征演化方向的精確管控,進(jìn)而相關(guān)實驗在本質(zhì)上仍然屬于低效率的試錯.

4.2 基于原子/離子尺寸關(guān)系的調(diào)控

摻入不同尺寸的原子/離子可調(diào)控A,B和X三者間的尺寸關(guān)系,這會進(jìn)一步改變A與其所在空穴間的尺寸關(guān)系.由此導(dǎo)致的A與X的間距過大或過小會通過二者間的相互作用把各X所在的配位多面體朝A拉扯或反向外推,從而達(dá)到調(diào)控配位多面體傾斜/旋轉(zhuǎn)的目的.該調(diào)控機制在我們之前對WO6八面體傾斜導(dǎo)致氧化鎢晶胞收縮的分析中就已被提出[53].摻入原子/離子的尺寸和配位多面體轉(zhuǎn)動幅度的數(shù)量關(guān)系是可以通過數(shù)學(xué)幾何進(jìn)行計算的,所以只要保證實驗上原子/離子能被正確摻入預(yù)期的等效位,整個相演化過程就是精確可控的.目前相關(guān)的調(diào)控案例多集中在(類)鈣鈦礦上,所以它們也可被看成是Goldschmidt 容忍因子t(即,R指對應(yīng)下標(biāo)的離子半徑)[54]及其相關(guān)理論的應(yīng)用.

比如,對于含Pb 和Sn 的碘化物鈣鈦礦,由于Pb 的離子半徑較大,PbI6八面體所圍成的空穴有足夠的空間來分別容納甲脒離子和Cs+,所以此時往甲脒離子所在的A位摻入尺寸較小的Cs+會引發(fā)周圍八面體的傾斜,導(dǎo)致鈣鈦礦帶隙的增大;相對地,由于Sn 的離子半徑較小,甲脒離子的嵌入會強行撐大SnI6八面體所圍成的空穴空間乃至整個晶胞,所以此時再往A位摻入尺寸較小的Cs+非但不會引發(fā)八面體的傾斜,反而會使原本被撐大的晶胞在維持立方狀態(tài)的同時適當(dāng)縮小,從而導(dǎo)致帶隙的減小.鑒于這種競爭機制(參見圖3),Prasanna等[55]采用將甲脒-Cs 引入A位和Sn-Pb 引入B位的雙摻雜策略,實現(xiàn)了相應(yīng)鈣鈦礦的帶隙在1.24–1.58 eV 可變,且以此制得的太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率可被提升14%.其中,當(dāng)組分為20%的Cs和75%的Sn 時,光譜吸收可至1040 nm.另外,該調(diào)控機制也很好地得到實驗(光能隙、從X 射線衍射數(shù)據(jù)的比對獲知的相結(jié)構(gòu)差異、X 射線光電子能譜和紫外光電子能譜測得的價帶頂和費米能級)和計算(電子結(jié)構(gòu))兩方面的驗證.

圖3 (a) 無畸變的立方、(b) 存在八面體傾斜、(c) 出現(xiàn)晶格收縮時的鈣鈦礦晶格圖;(d) 含鉛和錫的鈣鈦礦FA1-xCsxMI3 (M=Sn,Pb)的光學(xué)帶隙隨銫含量變化的函數(shù);引用自文獻(xiàn)[55]Fig.3.Perovskite lattice diagrams: (a) Undistorted cubic;(b) with octahedral tilting;(c) with lattice contraction.(d) Optical band gap of lead-and tin-based perovskites FA1-xCsxMI3 (M=Sn,Pb) as a function of cesium content.Four images are cited from Ref.[55].

4.3 基于配位多面體間的幾何束縛的調(diào)控

配位多面體間的幾何束縛是指由于晶格骨架的固定性,配位多面體為滿足相互間“共點相連”的幾何要求,必須在尺寸、形狀和排布方式上進(jìn)行適當(dāng)?shù)奈⒄{(diào)以進(jìn)行適配,從而導(dǎo)致現(xiàn)有畸變模式的改變或新的畸變的形成.目前實驗上基于這一機制的調(diào)控幾乎都是從晶體結(jié)構(gòu)的外部施加的,而且相關(guān)的案列多局限在涉及配位八面體傾斜/旋轉(zhuǎn)的薄膜材料上[16,36,37].即,借助于基板與薄膜的配位八面體在界面處形成的“共點相連”,將基板包含的畸變模式傳遞并影響至薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu).比如,Kim 等[37]為得到“極性金屬”,采用了類似于前面提到的多鐵材料的設(shè)計思路: 借助于鈣鈦礦的A和B兩種亞點陣共存的特性,讓A主導(dǎo)極性,B主導(dǎo)導(dǎo)電性.

具體地說,他們在配位八面體的轉(zhuǎn)動體系為b-b-b-的LaAlO3基板的(111)面上外延生長出原本在塊體時轉(zhuǎn)動體系為a-a-c+的NdNiO3薄膜.這樣,不同于通常在(001)面生長薄膜的情況,此時有更多的Ni–O–Al 鍵在界面處形成.從而,在因3 個坐標(biāo)軸方向上的“共點相連”產(chǎn)生的基板鄰近效應(yīng)的強力作用下,薄膜中配位八面體的轉(zhuǎn)動角度呈非等比例縮小: 傾斜角度從11.6°減為4°–8°,z軸的同相位轉(zhuǎn)動關(guān)系更是因為與基板中的相異而被近乎抵消掉,使得對應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度ξ從7.0°減為0°–1.2°.由此形成的非平衡轉(zhuǎn)動體系a-a-c0+ξ最終引發(fā)了A的極性偏移.與之對應(yīng)的計算模擬出了兩種可能的A偏移方式,分別是沿(001)的Au和沿()的Bu.它們各自穩(wěn)定時,所處于的傾斜角度區(qū)間可通過對相應(yīng)模型的能量和區(qū)中心聲子模的計算和比較而得知(參見圖4(a)–(d),它們分別引自文獻(xiàn)[37]中的圖1(b),(d),(e),(f)).進(jìn)一步,在實驗上,得益于同步加速器晶體截斷桿掃描和相干布拉格桿分析對陽離子偏移的測定(圖4(e)),以及掃描透射電子顯微鏡的環(huán)形明場像(STEM-ABF)對轉(zhuǎn)動體系的測定(圖4(f)),制得的薄膜被證實呈單斜Pc的結(jié)構(gòu)特征且與計算中給出的Bu在“傾斜角度為6.0°且ξ為1.2°”時的情況相符.隨后的二次諧波生成對點群對稱性的分析、電導(dǎo)率的測定以及態(tài)密度的計算也共同證實了這種極性金屬設(shè)計思路的合理性.

圖4 (a) 中心對稱的NdNiO3 生長在LaAlO3 的(111)面上形成的Au 偏移(藍(lán)線)和Bu 偏移(紅線)的體系的中心聲子模隨八面體傾斜角度Θ 變化的函數(shù)圖,其中轉(zhuǎn)動體系為a-a-c0 且同相位轉(zhuǎn)角ξ=0°;(b)–(d) 不穩(wěn)定的Au 偏移和Bu 偏移模式下八面體的傾斜角度Θ 和轉(zhuǎn)動角度ξ 的變化導(dǎo)致的能量增加;(e) 用于測量Nd 偏移幅度δ 的電子密度圖;(f) 用于測量八面體傾斜角度Θ 的STEM-ABF 圖;引用自文獻(xiàn)[37]中的6 幅圖Fig.4.(a) Calculated zone-centre phonon modes with Au (blue line) and Bu (red line) symmetry for a centrosymmetric NdNiO3 on LaAlO3 (111) with varying degree of the a-a-c0 tilt angle Θ with the in-phase rotation angle ξ=0°;(b)-(d) energetic gain for varying octahedral tilt Θ and rotation ξ angles with the unstable Au or Bu modes;(e) image of electron density map for measuring Nd displacement δ;(f) STEM-ABF image for measuring octahedral tilt angle (Θ).Six images are cited from Ref.[37].

值得注意的是,從晶體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部施加幾何束縛的調(diào)控實際上也是可行的.比如,通過解除原本處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的配位多面體間的“共點相連”,得到更為自由的幾何環(huán)境,從而促使畸變模式的調(diào)整以使體系達(dá)到新的平衡/穩(wěn)定狀態(tài).依據(jù)這種調(diào)控機制,Ming 等[56]計算模擬出了Ban+1ZrnS3n+1從塊體到二維狀態(tài)的變化: 隨著Zr-S 層數(shù)n的減小,配位八面體沿z軸方向受到的“共點”束縛會不斷減弱.這意味著配位八面體不再被強行牽制著朝平面外(繞x和y軸)轉(zhuǎn)動,而處于同層的各配位八面體沿平面內(nèi)(繞z軸)的轉(zhuǎn)動仍然存在,所以此時的轉(zhuǎn)動體系由原本的a-a-c+變?yōu)閍0a0c-.這樣,所獲得的光電材料的帶隙可以實現(xiàn)比其在塊體狀態(tài)時的更低且一定范圍內(nèi)可調(diào).

綜上案例表明無論是宏觀調(diào)控還是微觀調(diào)控,二者本質(zhì)上都是通過引發(fā)多面體的畸變來誘導(dǎo)晶體轉(zhuǎn)變成具有目標(biāo)屬性的相結(jié)構(gòu).受限于相關(guān)理論的短板,只有微觀調(diào)控可以精確可控地實現(xiàn)“畸變指標(biāo)的計算→畸變的引發(fā)→相結(jié)構(gòu)的調(diào)控”整個過程.但是,微觀調(diào)控涉及到的數(shù)學(xué)幾何計算是通過把配位多面體近似處理成剛體實現(xiàn)的,它的可行性目前只在配位八面體的轉(zhuǎn)動體系中得到了檢驗且因此只有與類鈣鈦礦相關(guān)的應(yīng)用案例,所以在普適性上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及宏觀調(diào)控.

5 結(jié)論和展望

本文從相結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)變的角度,評述了近些年來為合成包括鈣鈦礦在內(nèi)的各種高性能CSCPC所取得的各項研究進(jìn)展.以此發(fā)現(xiàn)盡管當(dāng)中所涉及到的材料設(shè)計和制備的方案各不相同,但大多與對多面體畸變的調(diào)控機制有關(guān).為深入揭示這種基于“結(jié)構(gòu)-屬性”關(guān)系的材料合成理念,本文對相結(jié)構(gòu)、畸變和相關(guān)屬性逐一進(jìn)行了剖析,包括根據(jù)配位多面體的類型和晶格骨架中B–X鏈的延伸方式對相結(jié)構(gòu)的解析和分類;從陽離子的偏移、配位多面體的變形及其整體運動這3 個方面對畸變的介紹;從外部物理條件、原子/離子的尺寸關(guān)系和配位多面體間的幾何束縛這3 個角度分別闡述設(shè)計和制備具有優(yōu)異屬性的相結(jié)構(gòu)需要遵循的宏觀和微觀調(diào)控機制.此外,通過對當(dāng)前已取得的研究結(jié)果和遇到的問題進(jìn)行綜合分析,指出了在未來值得關(guān)注的如下4 個方向.

1) 基于對不同合成方案引發(fā)畸變的根源的探討實現(xiàn)合成方案的優(yōu)化.對CSCPC 的相變引發(fā)機制需要進(jìn)行更深入的調(diào)查.這其中有待揭示的物理本質(zhì)不僅涉及前面提到的宏觀調(diào)控與微觀調(diào)控間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),還涉及宏觀調(diào)控中不同外部物理條件間可能存在的內(nèi)在關(guān)聯(lián).比如,氧化鎢在升溫或者被嵌入鋰離子時發(fā)生的多次相轉(zhuǎn)變大致都會遵循一個共同的變化規(guī)律: 晶體對稱性升高[27,35,57].對這些的研究有助于找到現(xiàn)有各種調(diào)控機制的共同理論根源,進(jìn)而以此指導(dǎo)并制定出更加高效的材料合成方案.

2) 微觀合成方案應(yīng)用范圍的拓展.當(dāng)前的微觀合成方案還都只停留在針對配位八面體傾斜/旋轉(zhuǎn)的操控上,如何將它們拓展到更多配位多面體所包含的各種畸變當(dāng)中是一個亟待解決的難題.同時,這也是實現(xiàn)基于多面體畸變調(diào)控的材料設(shè)計和制備模式能夠被推廣開來所必須躍過的一道難關(guān).

3) 基于對不同畸變間相互作用的探討實現(xiàn)合成方案的優(yōu)化.雖然因A,B和X的運動所各自產(chǎn)生的畸變都可以被近似成多面體幾何的數(shù)學(xué)問題而得到分析和處理,但它們并非真正意義上相互獨立的形體變化.也就是說這些畸變間的相互作用是存在的,且一種畸變往往會因與其他畸變的共存而發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變以使體系重新達(dá)到平衡/穩(wěn)定.目前對這方面的研究還僅局限在配位八面體的轉(zhuǎn)動與陽離子偏移間的作用上[37,58],所以未來需要更多的相關(guān)探索,且這有利于實現(xiàn)對屬性/相結(jié)構(gòu)的微調(diào)/精修.

4) 基于計算機科學(xué)指導(dǎo)合成方案的制定.構(gòu)建結(jié)構(gòu)與屬性的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)是精確利用調(diào)控機制指導(dǎo)實驗合成的關(guān)鍵.我們認(rèn)為目前實現(xiàn)這點最有希望的是從計算機科學(xué)尋找解決方案: 收集已知CSCPC 中“原子/離子(元素類型、電子結(jié)構(gòu)、軌道雜化等)→構(gòu)建多面體的鍵長和鍵角→多面體的排列(晶格骨架)和類型→多面體的結(jié)構(gòu)畸變→相結(jié)構(gòu)(晶胞參數(shù)、晶系、空間群等)→屬性”的逐級數(shù)據(jù)并建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,再通過機器學(xué)習(xí)找到各級間的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)并將其應(yīng)用到對未知CSCPC 的相結(jié)構(gòu)和屬性的預(yù)測以及相應(yīng)材料的合成指導(dǎo)中.

實際上,近幾年已有多個此類思路的工作出現(xiàn),它們多用于預(yù)測晶胞參數(shù)[59,60]和帶隙[61],判定相的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[61-64],對相的晶型分類[60,65-68]以及對模型/算法優(yōu)劣[60,61,65]的比較.其中用于訓(xùn)練和預(yù)測的數(shù)據(jù)類型主要包括:A/B/X的元素周期號、價態(tài)、電負(fù)性和涉及配位成鍵的各層電子數(shù),以及鍵長(包括離子/共價半徑)、鍵角、晶胞參數(shù)、Goldschmidt 容忍因子t和八面體因子μ(即μ=RB/RX;R指對應(yīng)下標(biāo)的離子半徑)[66]、晶系和空間群、形成能和化學(xué)勢(包括與之功能類似的能量參數(shù))、帶隙和相關(guān)的能帶等.不難發(fā)現(xiàn),這些都是容易從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)中大量統(tǒng)計到的或者涉及計算量較小的數(shù)據(jù)類型(主要只包含到我們指出的逐級數(shù)據(jù)鏈中位于始端的類型以及個別位于末端的類型),以便于滿足模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)體量的要求.但訓(xùn)練數(shù)據(jù)多樣性的不足,尤其是屬性和與之直接關(guān)聯(lián)的多面體的畸變指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏(這些數(shù)據(jù)往往需要在原子數(shù)過百的超胞體系中進(jìn)行模擬,需要的計算量過大,因為對應(yīng)結(jié)構(gòu)富含畸變,對稱性較低,再加上模擬時需要考慮周期性邊界條件的影響),導(dǎo)致此類工作目前存在較大的應(yīng)用局限性,還難以對調(diào)控機制給予指導(dǎo)和優(yōu)化.進(jìn)而,如何在訓(xùn)練數(shù)據(jù)的體量、多樣性和品質(zhì),以及計算成本、模型/算法的準(zhǔn)確性和效率這幾項中找到平衡點成為了此類工作的關(guān)鍵,且這在未來可能會成為最具挑戰(zhàn)性的課題之一.

我們希望上述討論和預(yù)測能為后期相關(guān)材料的設(shè)計和制備提供一些思路和啟發(fā).