杜克大学护理学院 这些卤化物钙钛矿如何产生和传输电的一个关键因素实际上取决于它们的八面体原子晶格以类似铰链的方式扭曲和转动的方式
信用:ORNL/吉尔·海曼 杜克大学的研究人员揭示了隐藏已久的分子动力学，它为太阳能和热能应用于一类令人兴奋的叫做卤化物钙钛矿的材料提供了理想的特性
这些材料如何产生和传输电的一个关键因素实际上取决于它们的原子晶格以类似铰链的方式扭曲和转动的方式
这些结果将有助于材料科学家以环境友好的方式为广泛的应用定制这些材料的化学配方
研究结果发表在3月15日的《自然材料》杂志上
杜克大学机械工程和材料科学副教授奥利维尔·德莱尔说:“人们对用于能源应用的卤化物钙钛矿有着广泛的兴趣，如光伏、热电、光电辐射探测和发射——整个领域非常活跃。”
“虽然我们知道这些材料的柔软性对它们的电子特性很重要，但没有人真正知道我们发现的原子运动是如何支撑这些特性的
" 钙钛矿是一类材料——通过元素的正确组合——生长成晶体结构，使它们特别适合能源应用
例如，它们吸收光线和有效传递能量的能力使它们成为研发新型太阳能电池的研究人员的共同目标
它们也很软，有点像纯金，很容易凹进去，这让它们在制成薄膜时能够容忍缺陷，避免破裂
然而，一种尺寸并不适合所有的，因为有各种各样的潜在配方可以形成钙钛矿
许多最简单和研究最多的配方都含有卤素——如氯、氟或溴——因此被命名为卤化物钙钛矿
在钙钛矿的晶体结构中，这些卤化物是连接相邻八面体晶体基序的连接点
虽然研究人员已经知道这些支点对钙钛矿的性质至关重要，但没有人能够看到它们如何让周围的结构动态扭曲、转动和弯曲而不断裂，就像果冻模具被剧烈摇动一样
“众所周知，这些结构运动很难通过实验来确定
杜克大学的机械工程和材料科学教授沃尔克·布卢姆说:“我们选择的技术是中子散射，这需要大量的仪器和数据分析工作，很少有人能像奥利维尔和他的同事们那样掌握这项技术。”沃尔克·布卢姆对钙钛矿进行理论建模，但他没有参与这项研究
“这意味着他们能够揭示出基本钙钛矿材料特性的基础，否则是无法达到的
" 在这项研究中，德莱尔和来自阿尔贡国家实验室、橡树岭国家实验室、国家科学技术研究所和西北大学的同事首次揭示了结构简单、普遍研究的卤化物钙钛矿(CsPbBr3)的重要分子动力学
研究人员从一个大的厘米级的卤化物钙钛矿单晶开始，众所周知，这种单晶很难生长到这样的尺寸——这是为什么这种动态研究以前没有实现的一个主要原因
然后他们在橡树岭国家实验室用中子和阿尔贡国家实验室用x光轰击晶体
通过测量中子和x光如何以不同的角度和时间间隔从晶体上反弹回来，研究人员梳理出其组成原子是如何随时间移动的
在用计算机模拟证实了他们对测量结果的解释后，研究人员发现了晶体网络实际上有多活跃
八面八面体图案通过溴原子相互连接在一起，在板状区域集体扭曲，并以非常流畅的方式不断来回弯曲
“由于原子排列的方式，八面体图案共享溴原子作为关节，它们可以自由旋转和弯曲，”德莱尔说
“但是我们发现这些卤化物钙钛矿比其他一些配方更‘松软’
它们不是立即恢复形状，而是非常缓慢地恢复，几乎更像果冻或液体，而不是传统的固体晶体
" 德莱尔解释说，这种自由的分子舞蹈对于理解卤化物钙钛矿的许多理想特性是很重要的
它们的“不稳定性”阻止了电子重新结合到入射光子将它们撞出的空穴中，这有助于它们从阳光中产生大量电能
这很可能也使得热能很难穿过晶体结构，这使得它们可以通过使材料的一侧比另一侧更热来产生电能
因为研究中使用的钙钛矿——三氧化二锑——具有最简单的配方之一，但已经包含了这些化合物的广泛家族共有的结构特征，德莱尔认为这些发现可能适用于大范围的卤化物钙钛矿
例如，他引用了有机-无机杂化钙钛矿(HOIPs)，它有更复杂的配方，以及更环保的无铅双钙钛矿变体
“这项研究表明了为什么这种钙钛矿结构即使在最简单的情况下也是特别的，”德莱尔说
“这些发现很可能延伸到更复杂的配方，目前世界各地的许多科学家都在研究这些配方
当他们筛选巨大的计算数据库时，我们发现的动力学可能有助于决定要追求哪个周期
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