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钙钛矿晶体的结构与化学键

李娜  
【摘要】: 从晶体微观化学键角度出发,综合考虑钙钛矿化合物的结构特征,利用组成化学键的特征判别化合物形成钙钛矿结构的能力及所形成钙钛矿结构的稳定性。将已知钙钛矿结构化合物与其他类型化合物分离开来,并预测新的可能形成钙钛矿结构的化合物。 提出了赝立方晶胞参数的计算公式,指出容限因子的变化直接影响了晶胞体积,而非某个晶胞参数的值。提出了实际容限因子的概念,并利用这一物理量定量研究了ABO3型钙钛矿化合物的畸变特性。利用钙钛矿晶体结构中阳离子配位多面体体积计算了A-O及B-O键的均衡键长,并基于均衡键长计算了240个ABO3型钙钛矿化合物晶体结构的实际容限因子。研究结果表明实际容限因子能够比扭转角更好的反映钙钛矿晶体结构的扭转畸变情况,可以作为衡量钙钛矿晶体结构的重要参数。确定了钙钛矿结构的畸变程度基本满足Pbnm→Imma→R3c→I4/mcm-Pm 3 m空间群结构逐渐增大的顺序;在常见的空间群钙钛矿结构中Pbnm空间群结构的畸变程度最大,结构分布范围最为广泛,确定了Pbnm(?)R3c和Pbnm(?)I4/mcm结构转变发生的实际容限因子临界值为0.986。 通过计算ABX3型氧化物和卤化物A-X键和B-X键的理想键长及化学键特性得到ABX3型化合物形成理想钙钛矿结构的限制条件为:多面体的形成能力、B位离子八面体共顶点连接能力及A和B离子大小的匹配能力。应用所得到的限制条件对4124种ABX3型元素组合化合物形成钙钛矿结构的能力进行预测。在所有可能的4124种元素组合化合物中预测有1191种元素组合化合物有可能形成钙钛矿结构,其中氧化物为1011种(包含71种AI+B5+O3型,259种A2+B4+O3型,681种A3+B3+O3型钙钛矿氧化物);卤化物为180种(包含133种ABF3和47种ABCl3型钙钛矿卤化物)。将ABX3型钙钛矿备选化合物的数量降低到所有元素组合化合物的30%。 确定了6种ABX3型低对称空间群钙钛矿结构的晶胞参数表达式,通过限制A和B离子均为理想化合价,计算了低对称空间群结构的扭转角,进而得到整个钙钛矿化合物的精细结构。讨论了ABX3型低对称空间群钙钛矿结构的形成能力,确定了低对称结构的形成条件并讨论钙钛矿结构间的转化特性。


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