钙钛矿 (结构)

钙钛矿是任何具有以下分子式 ABX3 晶体结构的材料，它最初是作为一种叫做钙钛矿的矿物被发现的，它由钙钛氧化物 (CaTiO3) 组成。 'A' 和 'B' 是两个带正电的离子（即阳离子），通常具有非常不同的大小，而 X 是一个带负电的离子（阴离子，通常是氧化物），与两个阳离子结合。 “A”原子通常比“B”原子大。 理想的立方结构具有 6 重配位的 B 阳离子，被阴离子八面体包围，以及 12 重立方八面体配位的 A 阳离子。 可能存在其他钙钛矿形式，其中 A 和 B 位点之一/两者具有 A1x-1A2x 和/或 B1y-1B2y 的构型，并且 X 可能偏离理想配位构型，因为 A 和 B 位点内的离子在其氧化过程中发生变化 状态。

作为最丰富的结构家族之一，钙钛矿存在于大量具有广泛特性、应用和重要性的化合物中。 具有这种结构的天然化合物是钙钛矿、洛钙石和硅酸盐钙钛矿布里奇曼石。 自 2009 年发现含有甲基卤化铅钙钛矿的钙钛矿太阳能电池以来，人们对钙钛矿材料产生了相当大的研究兴趣。

许多化学式为 ABO3 的氧化物都采用钙钛矿结构。 理想化的形式是很少遇到的立方结构。 正交相和四方相相是最常见的非立方变体。 尽管钙钛矿结构以 CaTiO3 命名，但这种矿物形成了一种非理想化的形式。 SrTiO3 和 CaRbF3 是立方钙钛矿的例子。 钛酸钡是钙钛矿的一个例子，它可以根据温度呈现菱面体、斜方晶、四方晶和立方晶。

在这种化合物的理想立方晶胞中，'A' 型原子位于立方角位置 (0, 0, 0)，'B' 型原子位于体心位置 (1/ 2, 1/2, 1/2) 和氧原子位于面心位置 (1/2, 1/2, 0), (1/2, 0, 1/2) 和 (0, 1/2, 1 /2). 显示了等效晶胞的边，其中 A 位于立体角位置，B 位于体中心，O 位于面心位置。

可能有四种常见的阳离子配对类别：A+B2+X−3，或 1:2 钙钛矿； A2+B4+X2−3，即2:4钙钛矿； A3+B3+X2−3，即3:3钙钛矿； 和 A+B5+X2−3，或 1:5 钙钛矿。

立方结构稳定性的相对离子尺寸要求非常严格，因此轻微的屈曲和变形会产生几个较低对称性的变形版本，其中 A 阳离子、B 阳离子或两者的配位数减少。

BO6 八面体的倾斜将尺寸过小的 A 阳离子的配位从 12 减少到低至 8。相反，尺寸过小的 B 阳离子在其八面体中的偏心使其能够获得稳定的键合模式。 由此产生的电偶极子是铁电特性的原因，钙钛矿如 BaTiO3 以这种方式扭曲。

复杂的钙钛矿结构包含两种不同的 B 位阳离子。 这导致了有序和无序变体的可能性。

钙钛矿可以分层结构，ABO_{3 结构被侵入材料的薄片隔开。}