Perovskīts

Perovskīta struktūra ar vispārējo ķīmisko formulu ABX3. Sarkanās sfēras ir X atomi (parasti skābekļa atomi), zilās sfēras ir B atomi (mazāks metāla katjons, piemēram, Ti4+), un zaļās sfēras ir A atomi (lielāks metāla katjons, piemēram, Ca2+). Attēlā ir neizkropļota kubiskā struktūra; daudzos perovskītos simetrija tiek pazemināta līdz ortorombiskai, tetragonālai vai trigonālai.

Perovskīts ir jebkurš materiāls ar tāda paša veida kristālisko struktūru kā kalcija titāna oksīdam (CaTiO3), ko sauc par perovskīta struktūru. Perovskīti savu nosaukumu ieguvuši no minerāla, ko Urālu kalnos Krievijā 1839. gadā pirmo reizi atklāja Gustavs Rose un kas nosaukts par godu Krievijas mineralogam L. A. Perovskim (1792—1856). Perovskīta savienojumu vispārējā ķīmiskā formula ir ABX3, kur “A” un “B” ir divi ļoti atšķirīga lieluma katjoni, un X ir anjons, kam ir saites ar abiem pārējiem joniem. “A” atomi ir lielāki par “B” atomiem. Ideālā kubiskā struktūrā B katjona koordinācijas skaitlis ir 6, to ieskauj anjonu oktahedrons, un katjona A koordinācijas skaitlis ir 12.

Dabiskie savienojumi ar šo struktūru ir perovskīts, loparīts un bridgmanīts.

Struktūra

Perovskīta struktūra ir daudziem oksīdiem, kuru ķīmiskā formula ir ABO3.

Kubiskā primitīvā perovskīta režģa šūnā 'A' atoms atrodas kuba mezglu punktos (0, 0, 0), 'B' atoms atrodas tilpumā centrētā pozīcijā (1/2, 1 / 2, 1/2) un skābekļa atomi atrodas skaldnē centrētā pozīcijā (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2) un (0, 1/2, 1/2). (Attēlā parādīts A atoms kuba mezglu punktos, B tilpumā centrētā pozīcijā un O skaldnē centrētās pozīcijās).

Ir iespējamas trīs vispārīgas katjonu pāru kategorijas: A2 + B4 + X2−3 vai 2: 4 perovskīti; A3 + B3 + X2−3 vai 3: 3 perovskīti; un A + B5 + X2−3 jeb 1: 5 perovskīti.

Prasības jonu izmēru attiecībai kubiskās struktūras stabilitātei ir diezgan stingras, tāpēc nelielas režģa deformācijas var radīt vairākas zemākas simetrijas struktūras, kurās samazinās A katjonu, B katjonu vai abu jonu koordinācijas skaitlis.

Materiāla īpašības

Perovskīta materiāliem ir daudz interesantu un intriģējošu īpašību gan no teorētiskā, gan pielietojuma viedokļa. Kolosāla magnētiskā pretestība, feroelektrība, supravadītspēja, no spina atkarīgais transports, augsta siltuma jauda un strukturālo, magnētisko un transportēšanas īpašību mijiedarbība ir šiem materiāliem raksturīgas īpašības. Šie savienojumi tiek izmantoti kā sensori un katalizatora elektrodi noteikta veida degvielas šūnās, un tos varētu pielietot atmiņas ierīcēs un spintronikā.

Daudziem supravadošiem keramikas materiāliem (augstas temperatūras supravadītājiem) ir perovskīta struktūra, bieži ar 3 vai vairāk metāliem, ieskaitot varu, un dažu skābekļa pozīciju vietās ir vakances. Viens no izcilākajiem piemēriem ir itrija bārija vara oksīds, kas atkarībā no skābekļa satura var būt izolējošs vai supravadošs.

Ķīmiķi pēta uz kobalta bāzes izgatavotu perovskīta materiālu kā platīna aizstājēju katalītiskajos pārveidotājos dīzeļdzinējos.

Pielietojumi

Materiālu zinātnē biežāk pētītās un interesējošās perovskītu fizikālās īpašības ir supravadītspēja, magnētiskā pretestība, jonu vadītspēja un daudzas dielektriskās īpašības, kurām ir liela nozīme mikroelektronikā un telekomunikācijās. Perovskīti varētu būt pielietojami scintilatoros, jo tiem ir liels gaismas iznākums, pārvēršot radiāciju redzamajā starojumā.

Fotoelementi

Sintētiskie perovskīti ir iespējami lēti pamatmateriāli augstas efektivitātes komerciāliem fotoelementiem — to efektivitāte sasniedz līdz pat 22,34%, un tos var izgatavot, izmantojot plāno kārtiņu ražošanas tehnoloģijas, kas tiek izmantotas plāno kārtiņu silīcija saules baterijām.

Lāzeri

2008. gadā pētnieki pierādīja, ka perovskīti var ģenerēt lāzera gaismu. Ar neodīmu leģēts LaAlO3 radīja lāzera starojumu pie 1080 nm. 2014. gadā tika pierādīts, ka jauktas metilamonija svina halogenīdu (CH3NH3PbI3 − xClx) šūnas pārvērš redzamo gaismu gandrīz infrasarkanā lāzera gaismā ar 70% efektivitāti.

Gaismu emitējošās diodes (LED)

Pateicoties augstai fotoluminiscences kvantu efektivitātei, perovskīti var būt labi kandidāti izmantošanai gaismas diodēs (LED). Tomēr radiatīvā rekombinācija lielākoties novērota šķidrā slāpekļa temperatūrā.