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首次合成极性氮化物钙钛矿

  本文来自微信公众号:XMOLNews
  钙钛矿是地球上最丰富的天然晶体结构之一,在其ABX3组成中,A和B是两种大小不同的阳离子,X是与之结合的阴离子,其理想状态为立方结构,B原子位于阴离子围成的八面体中心。这看似简单的原子排列,却衍生出异常多样的种类,以及丰富多彩的物理和化学性质。半个世纪以来,氧化物钙钛矿,如Pb(Zr,Ti)O3、(Ba,Sr)TiO3,已被广泛应用于陶瓷电容器、微机电驱动器等领域。在过去的十几年里,卤化物钙钛矿被认为是光伏器件中最有前途的材料之一。研究者们还发掘出有机无机杂化钙钛矿在发光器件、太阳能电池和传感器中的应用潜力,甚至硫系钙钛矿也在非线性光学中找到了用武之地。然而,氮化物钙钛矿却很少有文献报道。
  钙钛矿结构及氮化物钙钛矿和其他材料对比。图片来源:Science
  钙钛矿研究了这么多年,为什么氮化物钙钛矿迟迟未被合成呢?这与氮元素的特性有关。卤素和氧硫元素所带电荷分别为1和2,而氮元素电荷为3,这就要求A和B的电荷之和为9,符合条件的A和B金属并不多。而氮的电负性又大大低于氧或氟(N3。0,O3。5,F4。0),金属氮键具有共价键和离子键的混合性质,这也增加了材料的制备难度。几年前,有研究者通过理论计算预测了可能稳定的氮化物钙钛矿〔1,2〕,2019年美国科罗拉多大学博尔德分校AaronM。Holder与劳伦斯伯克利国家实验室WenhaoSun等人合作,在NatureMaterials杂志上发表论文〔3〕,进一步构建了宏伟的三元氮化物的热力学稳定性地图,使得实验室合成氮化物钙钛矿看起来只有咫尺之遥。
  三元金属氮化物热力学稳定性地图。图片来源:Chem。Mater。,Nat。Mater。〔1,3〕
  近日,美国可再生能源实验室AndriyZakutayev(上一篇Nat。Mater。的作者之一)和科罗拉多矿业学院GeoffL。Brennecka等人合作,在Science杂志上发表论文,合成并表征了具有极性对称性的氮化物钙钛矿镧钨氮化物(LaWN3)钙钛矿薄膜,进一步拓展了钙钛矿结构材料家族。新材料表现出强压电响应(40pmV1),并预测具有良好的热电和铁电性能。极性氮化物钙钛矿材料的首次成功制备为其在磁、光、热、电、拓扑和量子特性的研究打开了大门〔4〕。
  氮化物钙钛矿结构和应用。图片来源:Science〔4〕
  尽管氮化物钙钛矿LaWN3被预测具有较高的热力学稳定性,然而传统的合成方法通常会得到氮氧化物,如LaWO0。6N2。4。研究者采用物理气相沉积和溅射组合的方法,在超高真空加热基底上制备出LaWN3薄膜,最小化地减少了氧元素污染。X射线荧光(XRF)确定了阳离子的化学计量比LaW1;俄歇电子能谱(AES)证明,整个薄膜中检测不到氧元素,即使在大气中暴露72小时后也如此,然而N阴离子有少量缺失,这可能要归因于材料缺陷或者AES测试过程的影响。扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线衍射(XRD)等分析表明,薄膜呈现出均匀的微观多晶结构,晶粒尺寸150至200nm。
  LaWN3薄膜的化学成分表征。图片来源:Science
  LaWN3薄膜的材料结构表征。图片来源:Science
  氮化物钙钛矿LaWN3表现出强烈的压电响应特性,通过扫描探针显微镜测量,压电应变系数可达40pmV1,比报道的高性能压电材料Al0。92Sc0。08N(10pmV1)和LiNbO3(10pmV1)高了约4倍。压电响应和同步辐射衍射都表明,LaWN3薄膜呈现出极性对称性结构,而极性是导致高功率转换效率的关键因素之一。研究者还预测了薄膜的铁电特性,不过,只有合成更高质量的LaWN3薄膜(理论带隙Eg1。8eV),才可能进一步准确测量材料的铁电性能。
  LaWN3薄膜的压电性能。图片来源:Science
  铁电体作为极性压电材料的一个分支,具有自发极化或有序电偶极矩,可通过电场进行切换。氧元素阻碍了铁电材料与半导体的集成,也影响了非易失性存储器的开发。寻求无氧和极性的薄膜材料,为克服这一限制、提高器件性能奠定了基础。作为一个新兴领域,氮化物钙钛矿的成功制备,完美地诠释了通过理论计算驱动的材料搜索、合成、性能表征的全过程,也有望为钙钛矿家族再造一个材料明星。
  SynthesisofLaWN3nitrideperovskitewithpolarsymmetry
  KevinR。Talley,CraigL。Perkins,DavidR。Diercks,GeoffL。Brennecka,AndriyZakutayev
  Science,2021,374,14881491,DOI:10。1126science。abm3466
  参考文献:
  〔1〕R。SarmientoPrez,etal。PredictionofStableNitridePerovskites。Chem。Mater。2015,27,59575963。DOI:10。1021acs。chemmater。5b02026
  〔2〕Y。W。Fang,etal。LatticedynamicsandferroelectricpropertiesofthenitrideperovskiteLaWN3。Phys。Rev。B2017,95,014111。DOI:10。1103PhysRevB。95。014111
  〔3〕W。Sun,etal。Amapoftheinorganicternarymetalnitrides。Nat。Mater。2019,18,732739。DOI:10。1038s4156301903962
  〔4〕X。Hong,Nitrideperovskitebecomespolar。Science2021,374,14451446。DOI:10。1126science。abm7179

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