該成果于3月15日在線發(fā)表在《自然材料》雜志上。

“人們對鹵化物鈣鈦礦在光伏、熱電、光電輻射檢測和發(fā)射等能源領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣泛的興趣--整個領(lǐng)域非常活躍，”杜克大學(xué)機械工程和材料科學(xué)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(fā)現(xiàn)的原子運動是如何支撐這些特征的。”

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(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發(fā)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，這使它們在制成薄膜時有能力容忍缺陷并避免開裂。

然而，一種尺寸并不適合所有的情況，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(jié)構(gòu)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(jīng)知道這些支點對創(chuàng)造過氧化物的特性至關(guān)重要，但沒有人能夠研究它們讓周圍的結(jié)構(gòu)動態(tài)地扭曲、轉(zhuǎn)彎和彎曲而不破裂的方式。

“這些結(jié)構(gòu)運動在實驗上難以確定，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)機械工程和材料科學(xué)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)，否則就無法實現(xiàn)。”

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(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)簡單、常被研究的鹵化物鈣鈦礦(CsPbBr3)的重要分子動力學(xué)。

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(xiàn)這種動態(tài)研究的主要原因。然后，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(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間移動。

在用計算機模擬確認了他們對測量結(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，并以非常流暢的方式不斷來回彎曲。

“由于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(zhuǎn)和彎曲，”Delaire說。“但我們發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)的固體晶體。”

Delaire解釋說，這種自由的“分子舞蹈”對于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，這有助于它們從太陽光中制造大量的電力。而且它很可能還使熱能難以穿過晶體結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生電力。

由于研究中使用的鈣鈦礦--CsPbBr3--具有最簡單的配方之一，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-無機鹵化物鈣鈦礦，它們的配方要復(fù)雜得多，以及更環(huán)保的無鉛雙鈣鈦礦變體。

“這項研究表明，為什么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(fā)現(xiàn)很有可能擴展到更復(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)他們篩選巨大的計算數(shù)據(jù)庫時，我們所發(fā)現(xiàn)的動態(tài)可以幫助決定追求哪些鈣鈦礦。”