據外媒報道，杜克大學的研究人員揭示了隱藏已久的分子動力學，這些分子動力學為太陽能和熱能應用提供了理想的特性，這種材料被稱為鹵化物鈣鈦礦。這些材料如何創造和傳輸電能的一個關鍵因素實際上取決於其原子晶格以類似鉸鏈的方式扭曲和轉動的方式。該成果將幫助材料科學家們以環保的方式為這些材料的廣泛應用定製化學配方。
該成果於3月15日在線發表在《自然材料》雜誌上。
「人們對鹵化物鈣鈦礦在光伏、熱電、光電輻射檢測和發射等能源領域的應用有着廣泛的興趣–整個領域非常活躍，」杜克大學機械工程和材料科學副教授Olivier Delaire說。「雖然我們明白這些材料的柔軟度對其電子特性很重要，但沒有人真正知道我們所發現的原子運動是如何支撐這些特徵的。」
鈣鈦礦是一類材料–通過正確的元素組合–生長成一種晶體結構，使其特別適合能源應用。它們吸收光並有效轉移其能量的能力使它們成為研究人員開發新型太陽能電池等的共同目標。它們也很柔軟，有點像純金很容易凹陷，這使它們在製成薄膜時有能力容忍缺陷並避免開裂。
然而，一種尺寸並不適合所有的情況，因為有廣泛的潛在配方可以形成鈣鈦礦。許多最簡單和研究最多的配方包括一個鹵素–如氯、氟或溴–使它們被稱為鹵化物鈣鈦礦。在過氧化物的晶體結構中，這些鹵化物是將相鄰的八面體晶體基團拴在一起的連接點。雖然研究人員已經知道這些支點對創造過氧化物的特性至關重要，但沒有人能夠研究它們讓周圍的結構動態地扭曲、轉彎和彎曲而不破裂的方式。
「這些結構運動在實驗上難以確定，這是眾所周知的。選擇的技術是中子散射，這需要付出巨大的儀器和數據分析努力，很少有小組能像Olivier和他的同事那樣掌握這種技術，」杜克大學機械工程和材料科學教授Volker Blum說，他也進行鈣鈦礦的理論建模，但沒有參與這項研究。「這意味着，他們有能力揭示基本鈣鈦礦中的材料特性的基礎，否則就無法實現。」
在這項研究中，來自阿貢國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室、美國國家科學技術研究所和西北大學的Delaire及其同事，首次揭示了結構簡單、常被研究的鹵化物鈣鈦礦（CsPbBr3）的重要分子動力學。
研究人員從一個大型的、厘米級的鹵化物鈣鈦礦單晶開始，眾所周知，鹵化物鈣鈦礦很難生長到這樣的尺寸–這也是之前一直沒有實現這種動態研究的主要原因。然後，他們在橡樹嶺國家實驗室用中子和阿貢國家實驗室用X射線對該晶體進行了轟擊。通過測量中子和X射線在許多角度和不同的時間間隔內如何從晶體上反彈，研究人員弄清了它的組成原子如何隨時間移動。
在用計算機模擬確認了他們對測量結果的解釋後，研究人員發現了晶體網絡到底有多活躍。通過溴原子相互連接的八面八面體基團被捕捉到在板狀域中集體扭曲，並以非常流暢的方式不斷來回彎曲。
「由於原子的排列方式是以八面體基團共享溴原子作為連接點，它們可以自由地進行這些旋轉和彎曲，」Delaire說。「但我們發現，這些鹵化物過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，而不是傳統的固體晶體。」
Delaire解釋說，這種自由的「分子舞蹈」對於理解鹵化物過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，這有助於它們從太陽光中製造大量的電力。而且它很可能還使熱能難以穿過晶體結構，這使得它們能夠通過讓材料的一面比另一面熱得多來從熱能中產生電力。
由於研究中使用的鈣鈦礦–CsPbBr3–具有最簡單的配方之一，但已經包含了這些化合物廣泛家族所共有的結構特徵，因此Delaire認為，這些發現很可能適用於大范圍的鹵化物鈣鈦礦。例如，他列舉了混合有機-無機鹵化物鈣鈦礦，它們的配方要復雜得多，以及更環保的無鉛雙鈣鈦礦變體。
「這項研究表明，為什麼這種鈣鈦礦框架即使在最簡單的情況下也很特殊，」Delaire說。「這些發現很有可能擴展到更復雜的配方，目前全世界的許多科學家都在研究這些配方。當他們篩選巨大的計算數據庫時，我們所發現的動態可以幫助決定追求哪些鈣鈦礦。」
來源：cnBeta
