物质学院米启兮课题组设计合成新型立方钙钛矿材料

ON2021-06-11CATEGORY科研进展

我校物质学院米启兮课题组设计合成出一个全新的刚性球形阳离子,并成功将其嵌入合适的骨架中,合成了一种具有新型“笼在框中”结构的钙钛矿材料,该材料具有特殊的结构稳定性和电学性能。近日,相关成果以“Order-Disorder Transition of a Rigid Cage Cation Embedded in a Cubic Perovskite”为题在国际知名期刊《自然·通讯》(Nature Communications上发表该成果被审稿人评价为“有新意、高质量且深入”的研究工作



近几年来,有机无机杂化钙钛矿材料在钙钛矿研究领域异军突起,其在光伏、荧光以及铁电等领域有非常广泛的应用。在低温结构中,有机阳离子位置固定,使无机骨架对称性降低;而在高温下,随着有机阳离子的自由转动,无机骨架呈现更高的对称性。此类材料的有序-无序相变通常伴随着骨架结构的变化,这使得主体(无机骨架)与客体(有机阳离子)之间对材料结构及性能的影响难以区分。

为了解决这一问题,米启兮课题组设计并成功合成了一种球形有机阳离子——氮杂三环庚烷阳离子(Ath+),该离子具有与众不同的高度对称刚性骨架结构。随后,课题组按照体积匹配的原则成功将其嵌入Mn(N3)3−框架中,产生了一种具有“笼在框中”结构的新型立方钙钛矿材料AthMn(N3)3。实验结果表明,其中Ath+离子转动与否均不影响无机钙钛矿骨架的立方结构,但会大幅改变材料的介电常数,使AthMn(N3)3由反铁电体转化为顺电体。“这就像整齐排列的小风车,在一阵*风吹来时,每个风车叶片的转动是无序的,但风车各自的位置和间距并不改变。”

该研究提出了一种球形有机阳离子的设计合成路线,为合成更多独特的有机阳离子提供了新思路;设计合成了一类全新结构的钙钛矿材料,为钙钛矿材料领域的研究开辟了新方向;深入分析了有机-无机杂化材料中的有序-无序相变,为研究其他有序-无序转变或更为复杂的无序系统提供了新模型。


新型立方钙钛矿材料 AthMn(N3)3的结构与有序-无序相变


该研究论文的作者均为ob体育网址师生,第一作者史志方为材料专业2020届博士毕业生,现为美国北卡罗来纳大学博士后。ob体育下载物质学院多位本科生深度参与了这项科研课题,包括方正(化学专业2017级本科生)、武婧书(材料专业2016级本科生,已毕业)、陈怡(化学专业2014级本科生、2018级研究生)。米启兮教授为通讯作者,ob体育网址为唯一完成单位。

本研究工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23917-z