第二章 晶体结构 - 2.3.8钙钛矿型晶体结构分析_06.15_CG
钙钛矿型化合物结构
钙钛矿型化合物结构
钙钛矿型化合物是一类具有特殊结构和优异性能的材料。
它们由一种特殊的晶体结构组成，这种结构在科学界被广泛研究和应用。
钙钛矿型化合物的晶体结构可以用一种简单的方式来描述。
它由一个钙离子（Ca2+）和一个钛离子（Ti4+）组成，它们分别占据晶体结构的一个特殊位置。
这两种离子之间通过化学键相互连接，形成了一个稳定的晶体结构。
钙钛矿型化合物的晶体结构具有许多独特的性质。
首先，它们具有优异的光学性能。
这是因为钙钛矿型化合物的晶体结构中存在大量的钛离子，这些离子可以吸收和发射光线，使得这类化合物在太阳能电池和光电器件等领域有着重要的应用。
钙钛矿型化合物还具有良好的电子输运性能。
它们的晶体结构中存在大量的电子传导通道，使得电子在材料中的输运速度非常快。
这使得钙钛矿型化合物在电子器件中具有出色的电导率和电子迁移率，为电子器件的性能提供了重要支持。
除此之外，钙钛矿型化合物还具有较高的热稳定性和化学稳定性。
它们的晶体结构中的化学键非常稳定，能够在高温和极端环境下保持结构的完整性。
这使得钙钛矿型化合物在高温材料和催化剂等领域具有广泛的应用前景。
总结起来，钙钛矿型化合物是一类具有特殊晶体结构和优异性能的
材料。
它们在光学、电子和化学等领域具有广泛的应用前景，对于推动科学技术的发展起到了重要作用。
希望随着科学技术的不断进步，钙钛矿型化合物能够发挥更大的作用，为人类社会的进步做出更大的贡献。
钙钛矿的晶体结构
钙钛矿的晶体结构钙钛矿是一种重要的无机化合物，其晶体结构具有特殊的性质和应用潜力。
本文将详细介绍钙钛矿的晶体结构，并探讨其物理和化学特性。
晶体结构概述钙钛矿是一类具有ABX3化学式的化合物，其中A和B是金属离子，X是阴离子。
典型的钙钛矿晶体结构由氧化物离子组成的立方晶格中，A位于晶格的正中心，B 位于晶格的顶点位置，X位于晶格的面心位置。
A位和B位的离子通常是正离子，它们的尺寸和电荷应当满足特定的条件，以保持整个晶体结构的稳定性。
X位的离子通常是负离子，如氧、氯等。
这种晶体结构的排列方式使得钙钛矿具有一定的稳定性和功能性。
钙钛矿的晶体结构特点钙钛矿的晶体结构具有以下几个重要特点：1. 高度对称性钙钛矿的晶体结构属于立方结构，具有高度的对称性。
其空间群一般为立方晶系或斜方晶系，如在立方晶系下的空间群有Pm-3m、Fm-3m等。
这种高度的对称性使得钙钛矿晶体具有一些特殊的物理和化学性质。
2. 离子间较短的键长由于钙钛矿晶体结构中A、B两种离子的尺寸适配和排列方式的密集性，导致A和B之间的键长相对较短。
这种较短的键长有助于增强钙钛矿的化学稳定性和电子传导性能。
3. 多样的金属氧配位数钙钛矿晶体结构中的B位金属离子通常具有多样的氧配位数。
这种多样性使得钙钛矿能够容纳多种离子，从而扩展了其应用领域。
4. 可控的晶体结构调控由于钙钛矿晶体结构的特殊性，我们能够通过不同的合成方法和控制条件来调控其晶体结构。
这种可控性为钙钛矿的制备和应用提供了更多可能性。
钙钛矿的物理和化学特性钙钛矿的晶体结构赋予其一些特殊的物理和化学特性，对于材料科学和能源领域有着重要的应用价值。
1. 铁电性和铁磁性钙钛矿中的部分化合物具有铁电性和铁磁性。
铁电性是指材料在外加电场作用下产生的电偶极矩，而铁磁性是指材料在外加磁场作用下表现出的磁性。
这些性质使得钙钛矿在信息存储和传感器等领域具有广泛的应用。
2. 光电性和光催化性钙钛矿中的部分化合物具有良好的光电性和光催化性能。
钙钛矿结构及相关功能材料
O2-
Ti4+
Ca2+
O2-和半径较大的Ca2+共同组成立方紧密堆积(面心结构)，Ti4+填充在 位于体心的八面体间隙中。
A
钙B 钛 矿 晶O 体 结 构
钙钛矿结构中基本的 (AO3)4- (111) 面的密堆层
2）结构特点：
1. 氧八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling 的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连 接稳定。
2. 共顶连接使氧八面体网络之间的空隙比共棱、共面 连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大 量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求 有较大出入时，仍然能够保持结构稳定；并有利于 氧及缺陷的扩散迁移。
3. 钙钛矿结构中的离子半径匹配应满足下面关系式：
RA RO 2(RB RO ) t
钛离子的半径： 0.64
• ° • 钛离子处于氧八面体中，
• • 两个氧离子间的空隙为：4.01－2× 1.32= 1.37
钛离子的直径：2× 0.64= 1.28
钙钛矿降温过程中结构 畸变，对称性下降：
如果在一个轴向发生畸 变（如c轴伸长或缩短） 四方晶系
如果在两个轴向发 生畸变 正交晶系 若沿体对角线[111] 方向发生畸变 三 方晶系菱面体格子
热释电效应：具有自发极化的 晶体在温度发生变化，其极化 状态的发生改变，使电介质对 外显电性。
2.2.3 铁电性
自发极化的方向可以随着外加电场的方向改变而改变，从而使 这种晶体具有铁电性，该晶体称为铁电晶体。钙钛矿(ABO3) 型 铁电体是为数最多的一类铁电体。
在一定温度范围内，铁电体必然是压电体，而压电体则不一定 是铁电体。
钙钛矿主要结构特点
钙钛矿主要结构特点
钙钛矿是一种重要的无机材料，其主要结构特点是由钙钛矿晶体结构组成。
钙钛矿晶体结构是一种典型的立方晶系结构，其晶胞参数为a=b=c=3.905Å，空间群为Pm-3m。
钙钛矿晶体结构由钙钛矿型氧化物组成，其中钙钛矿型氧化物的晶体结构是由ABO3型离子晶体结构组成的。
钙钛矿晶体结构中，A位是钙离子，B位是钛离子，O位是氧离子。
钙钛矿晶体结构中的钙离子和钛离子分别占据了晶体结构中的两个不同的位置，而氧离子则占据了晶体结构中的八个不同的位置。
钙钛矿晶体结构中的钙离子和钛离子之间通过氧离子形成了一种强烈的离子键，这种离子键的强度使得钙钛矿具有很高的热稳定性和化学稳定性。
钙钛矿晶体结构的主要特点是其具有高度的对称性和周期性。
钙钛矿晶体结构中的钙离子和钛离子之间的距离非常接近，这种距离的接近使得钙钛矿具有很高的电子迁移率和光学性能。
此外，钙钛矿晶体结构中的氧离子具有很高的移动性，这种移动性使得钙钛矿具有很高的离子导电性和电子导电性。
钙钛矿晶体结构具有高度的对称性和周期性，其具有很高的热稳定性和化学稳定性，同时具有很高的电子迁移率、光学性能、离子导电性和电子导电性。
这些特点使得钙钛矿成为一种重要的无机材料，在太阳能电池、LED、光催化等领域有着广泛的应用。
第二章 晶体结构 - 2.3.8钙钛矿型晶体结构分析_06.15_CG
材料科学基础第 2 章2.3.8钙钛矿的晶体结构分析钙钛矿型晶体结构属于复合氧化物钙钛矿属立方晶系，面心立方格子B离子占据立方体体心位置A 离子占据立方体角顶位置O 离子占据立方体面心位置3有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）结构通式ABO3，其中A代表二价金属离子，B代表四价金属离子。
它是一种复合氧化物结构，该结构也可以是A为一价金属离子，B为五价金属离子。
3CaTiO3（钙钛矿型）晶体结构化学式CaTiO3晶体结构立方晶系，a0=0.385nm立方面心格子Ca2+ O2- Ti4+Z=4CaTiO3（钙钛矿型）晶体结构Ti4+配位CN=6与6个氧离子配位，构成[TiO6]八面体配位，共顶连接O2-配位CN=6与4个钙离子和2个钛离子配位，构成[OCa4TiO6] 配位Ca2+配位CN=12与12个氧离子配位，构成[CaO12] 配位为什么与O离子配位的分别是4个Ca2+，2个Ti4+？箭头所指的氧离子与立方体（010）面上的4个Ca2+配位，2个立方体体心位置的Ti4+配位。
Ca2+ O2- Ti4+为什么Ca离子的配位数为12？箭头所指钙离子与每个立方体3个面心位置的氧离子配位角顶上钙离子被周围8个立方体公用周围共有3 ×8=24个氧离子氧离子在面心位置，为相邻两个立方体公用，故CN=24 ÷2=12个Ca2+ O2- Ti4+Ca2+ O2- Ti4+钙钛矿结构中氧离子电价是否平衡？如何验证？箭头所指氧离子与立方体（010）面上的4个Ca2+配位，2个立方体体心位置的Ti4+配位。
根据静电价规则电价平衡钙钛矿中半径关系r O ——O 离子半径r A ——A离子半径r B ——B 离子半径半径有容差因子t=0.77-1.10CaTiO 3（钙钛矿型）晶体结构钙钛矿晶体结构中离子半径关系钙钛矿型结构晶体举例氧化物（1+5）氧化物（2+4）氧化物（3+3）氟化物（1+2）NaNbO3CaTiO3SrZrO3CaCeO3YAlO3KMgF3KNbO3SrTiO3BaZrO3BaCeO3LaAlO3KNiF3NaWO3BaTiO3PbZrO3PbCeO3LaCrO3KZnF3PbTiO3CaSnO3BaPrO3LaFeO3CaZrO3BaSnO3BaHfO3LaMnO3在不同温度时存在晶型转变结构特点结构畸变结构畸变立方晶系（高温）四方晶系正交晶系CaTiO 3（钙钛矿型）晶体结构性能与用途①性能②用途重要的功能材料，可通过掺杂改善其性能钙钛矿型BaTiO3，是典型的铁电材料，在居里温度以下有良好的铁电性能，是一种很好的光折变材料，可用于光储存。
钙钛矿晶体结构
钙钛矿晶体结构
钙钛矿晶体结构是一类复杂的多相固体体系，也被称为带非晶-晶形态的压缩费米子
能带材料（CMR）。
这类体系具有特殊的结构特点，如其电容器、磁性和非线性电子性质。
从其结构上看，它包括三组元素：钙、钛和副元素。
其中，钙原子是体系中以六元组方式
排列的面心立方晶格；钛原子以宽带形式充满六元素单元；而副原子则穿插在两者之间。
这样，当外加外界施加电场、压力或温度等刺激时，从钙和钛间的局域电荷分布会发生变化，从而改变物质的共同特性。
钙钛矿晶体的核心特征在于原子（或分子）的相互作用，即交互耦合。
即使在体系中
钙和钛组成的面心立方晶格和副元素可能对原子间立体交互相当弱，但在整体结构上仍具
有特定的火焰反射和散射等结构性质，这就是什么它吸引了如此多研究者的原因。
另外，晶体的不断发展也为钙钛矿体系的研究提供了一些有趣而有用的物理效应，如
无紫外细节的传输，材料本身的热传播和精密的热传导，这些特性都使其成为制备功能材
料的理想基础。
在最近的研究中，基于不同形态的钙钛矿材料及其特性的研究和制备，为新一代复杂
体系及其功能性能开发提供了重要思路和创新空间，满足了用于多目标实际应用、新型电
子材料设计和宏观应用等方面的需求。
总的来说，钙钛矿晶体结构在研究方面处于前沿，其原子间的复杂相互作用为电子、光、磁、力学和机械等费米子效应研究带来了新的思路和可能性，从而发现复杂材料系统
中更多的新物性。
第二组晶体结构解析PPT精选课件
1.2 相角问题 晶体衍射实验所得到的直接结果只有晶胞参数、
空间群和衍射强度(intensities)数据(I0)
Io通过一系列还原与校正，可转换成结构因子的 绝对值，即结构振幅|Fo| (structure factor amplitude)
因此，晶体数据测量后，已知的数据是：晶胞参
数、衍射指标、 结构振幅|Fo| 、可能的空间群、原子 的种类和数目等
寻找并计算出各个电子密度的最大值点，就可以得到晶胞中的原子坐标。
这种方法相当于把空间的电子密度数x据yz画成等高线。
信息。因此差值傅里叶合成是从部分已知结构 设G(b)和f(x)是两个任意函数如方程式a成立， 且积分遍及整个空间， 则G(b)是f(x)的傅里叶变换，也可以表示为加和的形式。
ρxyz = 1/VΣFhkl·exp[-i2π(hx + ky + lz)
未知的数据是衍射点的相角和原子坐标，这就是
解析结构所需要解决的问题。
晶胞中电子密度与结构因子的关系：
ρxyz = 1/VΣFhkl·exp[-i2π(hx + ky + lz) = 1/VΣFhkl·exp(-iαhkl)
该式表明对每个衍射点（hkl）的结构因子加和， 即Fourier合成（也叫Fourier转换，简称FT），就 可以得到晶胞中任意坐标的电子密度 。
傅里叶变化的定义和有关数学原理推导出二者 具有以下关系
Puvw=∫v ρxyz ρx-u ρy-v ρz-wdv
可以看出， Puvw是一个实函数，其数值可以直接从衍射强 度数据计算得到
帕特森方法的特点
故帕特森法难以得到轻原子的坐标信息，通常只能用于解析含有重原子的结构。
晶最体初结 获构得解的析结过构程模中型，可经能常在采一用定的Pa误tter差so，n和不直过接这法些解信决息相包角含问了题所（需即相获角得的大信致息准确的相角数据）
第二章钙钛矿结构及相关功能材料-PPT精选文档
例：由热运动引起的自发极化
自发极化主要是由晶体中某些离子偏离了平衡位置，使单位晶胞 中出现了偶极矩，偶极矩之间的相互作用使偏离平衡位置的离子 在新的位置上稳定下来，同时晶体结构发生了畸变。 BaTiO3：钙钛矿型结构 立方晶系（大于120 oC） ：
和半径条件，都是具有钙钛矿结构的化合物。 在La2/3Ca1/3MnO3中，低价态Ca的掺入，使得Mn采取+3和+4的
混合价态，从而满足钙钛矿结构的电价要求。在Ca2CaUO6中， 有1/3的Ca与U交替占据钙钛矿型晶格的B位。在Ba2Bi2O6中，有 一半Bi原子为+3价，另一半为+5价。
3）功能特性的起源
A、O离子半径比较相近，A与O离子共同构成立方密堆积。
6.
7.
正、负离子电价之间应满足电中性原则，A、B位正离子电 价加和平均为(+6)便可。
由于容差因子 t 范围很宽及A、B离子电价加和为(+6)便可， 使结构有很强的适应性，可用多种不同半径及化合价的正 离子取代A位或B位离子。 简单的：A1+B5+O3，A2+B4+O3，A3+B3+O3
钙 钛 矿 晶 体 结 构
B O
A
钙钛矿结构中基本的 (AO3)4- (111) 面的密堆层
2）结构特点：
1. 氧八面体共顶点连接，组成三维网络，根据Pauling 的配位多面体连接规则，此种结构比共棱、共面连 接稳定。 2. 共顶连接使氧八面体网络之间的空隙比共棱、共面 连接时要大，允许较大尺寸离子填入，即使产生大 量晶体缺陷，或者各组成离子的尺寸与几何学要求 有较大出入时，仍然能够保持结构稳定；并有利于 氧及缺陷的扩散迁移。 3. 钙钛矿结构中的离子半径匹配应满足下面关系式：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料科学基础
第 2 章
2.3.8钙钛矿的晶体结构分析
钙钛矿型晶体结构属于复合氧化物钙钛矿属立方晶系，面心立方格子B离子占据立方体体心位置
A 离子占据立方体角顶位置
O 离子占据立方体面心位置3有缘学习更多驾卫星ｙｇｄ３０７６或关注桃报：奉献教育（店铺）
结构通式
ABO3，其中A代表二价金属离子，B代表四价金属离子。
它是一种复合氧化物结构，该结构也可以是A为一价金属离子，B为五价金属离子。
3
CaTiO3（钙钛矿型）晶体结构化学式
CaTiO3
晶体结构
立方晶系，
a0=0.385nm
立方面心格子Ca2+ O2- Ti4+
Z=4
CaTiO3（钙钛矿型）晶体结构
Ti4+配位
CN=6
与6个氧离子配位，构成[TiO
6
]八面体配位，共顶连接
O2-配位
CN=6
与4个钙离子和2个
钛离子配位，构成
[OCa4TiO6] 配位Ca2+配位
CN=12
与12个氧离子配位，
构成[CaO
12
] 配位
为什么与O离子配位的分别是4个
Ca2+，2个Ti4+？
箭头所指的氧离子与立方体（010）
面上的4个Ca2+配位，2个立方体体心位置
的Ti4+配位。
Ca2+ O2- Ti4+
为什么Ca离子的配位数为12？
箭头所指钙离子与每个立方体3个
面心位置的氧离子配位
角顶上钙离子被周围8个立方体公用
周围共有3 ×8=24个氧离子
氧离子在面心位置，为相邻两个立
方体公用，故CN=24 ÷2=12个
Ca2+ O2- Ti4+
Ca2+ O2- Ti4+钙钛矿结构中氧离子电价是否平衡？如何验证？
箭头所指氧离子与立方体（010）面上的4个Ca2+配位，2个立方体体心位置的Ti4+配位。
根据静电价规则
电价平衡
钙钛矿中半径关系
r O ——O 离子半径
r A ——A离子半径
r B ——B 离子半径
半径有容差因子t=0.77-1.10
CaTiO 3（钙钛矿型）晶体结构
钙钛矿晶体结构中离子半径关系
钙钛矿型结构晶体举例
氧化物（1+5）氧化物（2+4）氧化物（3+3）氟化物
（1+2）
NaNbO
3CaTiO
3
SrZrO
3
CaCeO
3
YAlO
3
KMgF
3
KNbO
3SrTiO
3
BaZrO
3
BaCeO
3
LaAlO
3
KNiF
3
NaWO
3BaTiO
3
PbZrO
3
PbCeO
3
LaCrO
3
KZnF
3
PbTiO
3
CaSnO
3
BaPrO
3
LaFeO
3
CaZrO
3
BaSnO
3
BaHfO
3
LaMnO
3
在不同温度时存在晶型转变
结构特点
结构畸变
结构畸变
立方晶系（高温）
四方晶系
正交晶系
CaTiO 3（钙钛矿型）晶体结构
性能与用途
①性能
②用途重要的功能材料，可通过掺杂改善其性能
钙钛矿型BaTiO
3
，是典型的铁电材料，在居里温度以下有良好的铁电性能，是一种很好的光折变材料，可用于光储存。
CaTiO3（钙钛矿型）晶体结构。