該成果于3月15日在線發(fā)表在《自然材料》雜志上。
“人們對(duì)鹵化物鈣鈦礦在光伏、熱電、光電輻射檢測(cè)和發(fā)射等能源領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣泛的興趣--整個(gè)領(lǐng)域非常活躍，”杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)副教授Olivier Delaire說(shuō)。“雖然我們明白這些材料的柔軟度對(duì)其電子特性很重要，但沒(méi)有人真正知道我們所發(fā)現(xiàn)的原子運(yùn)動(dòng)是如何支撐這些特征的。”
鈣鈦礦是一類材料--通過(guò)正確的元素組合--生長(zhǎng)成一種晶體結(jié)構(gòu)，使其特別適合能源應(yīng)用。它們吸收光并有效轉(zhuǎn)移其能量的能力使它們成為研究人員開(kāi)發(fā)新型太陽(yáng)能電池等的共同目標(biāo)。它們也很柔軟，有點(diǎn)像純金很容易凹陷，這使它們?cè)谥瞥杀∧r(shí)有能力容忍缺陷并避免開(kāi)裂。
然而，一種尺寸并不適合所有的情況，因?yàn)橛袕V泛的潛在配方可以形成鈣鈦礦。許多最簡(jiǎn)單和研究最多的配方包括一個(gè)鹵素--如氯、氟或溴--使它們被稱為鹵化物鈣鈦礦。在過(guò)氧化物的晶體結(jié)構(gòu)中，這些鹵化物是將相鄰的八面體晶體基團(tuán)拴在一起的連接點(diǎn)。雖然研究人員已經(jīng)知道這些支點(diǎn)對(duì)創(chuàng)造過(guò)氧化物的特性至關(guān)重要，但沒(méi)有人能夠研究它們讓周?chē)慕Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)地扭曲、轉(zhuǎn)彎和彎曲而不破裂的方式。
“這些結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)上難以確定，這是眾所周知的。選擇的技術(shù)是中子散射，這需要付出巨大的儀器和數(shù)據(jù)分析努力，很少有小組能像Olivier和他的同事那樣掌握這種技術(shù)，”杜克大學(xué)機(jī)械工程和材料科學(xué)教授Volker Blum說(shuō)，他也進(jìn)行鈣鈦礦的理論建模，但沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。“這意味著，他們有能力揭示基本鈣鈦礦中的材料特性的基礎(chǔ)，否則就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。”
在這項(xiàng)研究中，來(lái)自阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)研究所和西北大學(xué)的Delaire及其同事，首次揭示了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、常被研究的鹵化物鈣鈦礦(CsPbBr3)的重要分子動(dòng)力學(xué)。
研究人員從一個(gè)大型的、厘米級(jí)的鹵化物鈣鈦礦單晶開(kāi)始，眾所周知，鹵化物鈣鈦礦很難生長(zhǎng)到這樣的尺寸--這也是之前一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)研究的主要原因。然后，他們?cè)谙饦?shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用中子和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用X射線對(duì)該晶體進(jìn)行了轟擊。通過(guò)測(cè)量中子和X射線在許多角度和不同的時(shí)間間隔內(nèi)如何從晶體上反彈，研究人員弄清了它的組成原子如何隨時(shí)間移動(dòng)。
在用計(jì)算機(jī)模擬確認(rèn)了他們對(duì)測(cè)量結(jié)果的解釋后，研究人員發(fā)現(xiàn)了晶體網(wǎng)絡(luò)到底有多活躍。通過(guò)溴原子相互連接的八面八面體基團(tuán)被捕捉到在板狀域中集體扭曲，并以非常流暢的方式不斷來(lái)回彎曲。
“由于原子的排列方式是以八面體基團(tuán)共享溴原子作為連接點(diǎn)，它們可以自由地進(jìn)行這些旋轉(zhuǎn)和彎曲，”Delaire說(shuō)。“但我們發(fā)現(xiàn)，這些鹵化物過(guò)氧化物特別是比其他一些配方更'軟弱'。它們不是立即彈回形狀，而是非常緩慢地返回，幾乎更像果凍或液體，而不是傳統(tǒng)的固體晶體。”
Delaire解釋說(shuō)，這種自由的“分子舞蹈”對(duì)于理解鹵化物過(guò)氧化物的許多理想特性非常重要。它們的“軟性”阻止電子重新組合到傳入的光子將它們擊出的孔中，這有助于它們從太陽(yáng)光中制造大量的電力。而且它很可能還使熱能難以穿過(guò)晶體結(jié)構(gòu)，這使得它們能夠通過(guò)讓材料的一面比另一面熱得多來(lái)從熱能中產(chǎn)生電力。
由于研究中使用的鈣鈦礦--CsPbBr3--具有最簡(jiǎn)單的配方之一，但已經(jīng)包含了這些化合物廣泛家族所共有的結(jié)構(gòu)特征，因此Delaire認(rèn)為，這些發(fā)現(xiàn)很可能適用于大范圍的鹵化物鈣鈦礦。例如，他列舉了混合有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦，它們的配方要復(fù)雜得多，以及更環(huán)保的無(wú)鉛雙鈣鈦礦變體。
“這項(xiàng)研究表明，為什么這種鈣鈦礦框架即使在最簡(jiǎn)單的情況下也很特殊，”Delaire說(shuō)。“這些發(fā)現(xiàn)很有可能擴(kuò)展到更復(fù)雜的配方，目前全世界的許多科學(xué)家都在研究這些配方。當(dāng)他們篩選巨大的計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，我們所發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)可以幫助決定追求哪些鈣鈦礦。”
