物语 | B位柱状有序卤化物双钙钛矿

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Research Highlights

本期我们介绍的工作是华中科技大学武汉光电国家研究中心肖泽文教授发表在Journal of the American Chemical Society上的论文 B-site Columnar-Ordered Halide Double Perovskites: Theoretical Design and Experimental Verification 

(doi.org/10.1021/jacs.1c03825)

论文简介

本文揭示了调控卤化物双钙钛矿B位阳离子排列方式可以调控卤化物双钙钛矿的电子性质的现象，并首次设计出一种B位离子柱状有序的A₂B(I)B(II)X₅型金属卤化物双钙钛矿，实验成功合成出Cs₂AgPdCl₅、Cs₂AgPdBr₅和Cs₂AgPtCl₅三个新型材料。

摘要原文

Halide double perovskites A₂B(I)B(III)X₆, in which monovalent B(I) and trivalent B(III) cations are arranged in the B-sites of the perovskite structure with a rock-salt ordering, have attracted substantial interest in the field of optoelectronics. However, the rock-salt ordering generally leads to low electronic dimensionality, with relatively large bandgaps and large carrier effective masses. In this work, we demonstrate, by density functional theory (DFT) calculations, that the electronic dimensionality and thus the electronic properties of halide double perovskites can be effectively modulated by manipulating the arrangement of the B-site cations. Through symmetry analysis and DFT calculations, we propose a family of halide double perovskites A₂B(I)B(II)X₅ where the B-site cations adopt a columnar-ordered arrangement. Among the considered compounds, Cs₂AgPdCl₅, Cs₂AgPdBr₅, and Cs₂AgPtCl₅ were successfully synthesized as the first examples of the B-site columnar-ordered halide double perovskites. These compounds exhibit small bandgaps of 1.33–1.77 eV that are suitable for visible light absorption, small carrier effective masses along the octahedra chains, and good thermal and air stability. Our work provides a prototype double perovskite structure to incorporate cations in +1 and +2 oxidation states, which may significantly expand the large family of the halide double perovskites and offer a platform to explore prospective optoelectronic semiconductors.

作者信息

肖泽文，2015年在东京工业大学取得博士学位，2018年入职华中科技大学武汉光电国家研究中心担任教授。研究方向是新型半导体光电材料探索，旨在结合理论与实验，为光电应用提供原创材料。

寻幽问径

Scholar Insights

我们有幸采访到了本文通讯作者肖泽文教授，以了解他的研究思路和研究心得。

您开展这个研究的动机是什么？为什么这个方向会吸引您？

肖泽文：晶体材料的性质本质上是由晶体结构和化学组分共同决定的。大部分研究是通过调控化学组分，对材料性质进行调控。我们试图从晶体结构出发，设计材料的结构，得到需要的性质。就双钙钛矿而言，我们期望产生新的B位有序排列方式，从而得到新的材料体系和新的光电性质。

完成这个研究需要采取什么特殊的计算方法/实验手段？

肖泽文：我们所采取的计算方法和实验手段本身没有任何特殊性。我们的研究特色在于理论计算与实验研究的结合。我们的经验是，第一性原理计算在热力学和基态电子结构等方面，可以提供非常合理的趋势预判，从而对实验有很好的指导意义。

研究过程中遇到的最大困难是什么？最后如何克服了？

肖泽文：在我们成功得到所设计的材料后，我们希望根据所得材料的材料性质进一步挖掘其潜在的应用，但受限于我们现有的实验条件和前期积累。于是我们决定先在期刊上报道这个新的母体结构，以期领域内的同行一起基于这个新的母体结构中发现更多的新材料，并找到合适的应用。

您对研究结果满意吗？具体在什么方面取得了突破进展？

肖泽文：我课题组致力于通过理论和实验的结合，探索新的光电半导体材料，这个工作就是一个较为典型的案例，我们非常享受其研究过程。这项研究的突破之处在于理论设计并实验验证了一种全新的B位离子柱状有序的金属卤化物双钙钛矿母体结构，有望获得更多的卤化物双钙钛矿，为光电半导体探索提供更多的备选材料。

您的合作者如何看待这个研究的？您认为其他同行会如何看待这个研究？

肖泽文：在这项工作的研究过程中，我与合作者以及其他同行有深入的探讨，他们很认可我们的研究思路和方法，认为我们的工作对新型材料设计和卤化物双钙钛矿领域都有着一定的推动作用。该工作也得到了审稿人的高度评价，审稿人非常赞赏这种理论推动实验的探索模式。

论文在投审稿过程遇到了什么让您记忆深刻的事情？

肖泽文：因为工作本身我们沉淀了蛮久，尤其是怎么合理的进行元素组合实现预期设计结构的稳定化，我们深入学习了更多的晶体学知识，因此投稿过程非常顺利，得到审稿人及编辑积极地回复，意外之喜是文章被选作封面论文。

该研究会对相关领域做出什么贡献或影响？

肖泽文：我们提出的新型B位离子柱状有序的金属卤化物双钙钛矿“母体”结构，实现了+1和+2氧化态的B位离子组合，这种同时涉及到新结构和新组分的设计与开发，将会为卤化物双钙钛矿的研究提供一个新平台。同时我们的研究思路可能会带动更多的科研人员进行主动且理性的材料设计。

您将会继续深入相关的研究工作吗？有什么具体的期待？

肖泽文：本工作的后续来说，我们已经着手展开了更多的材料设计和开发，期待可以实现更多新材料的合成。材料的后续表征来说，我们正在不断的积累，期待能逐渐有条件进行更加深入的物性表征，让合成的材料发挥其自身的优势。

您认为在您的研究生涯中，谁（哪几位）曾给予了您很大的支持与帮助？

肖泽文：在我的研究生涯中，我得到了很多人的支持与帮助。在我读博士期间，我得到了细野秀雄教授和神谷利夫教授的悉心指导，他们治学严谨、追求原创，对我的研究工作有着深刻的影响。在我做博士后期间，合作导师鄢炎发教授给了我很多指导和帮助，我非常享受跟鄢老师的每一次交流，在鄢老师的指导下，我拓展了我的研究思路和方法。在我找工作期间，我得到了华中科技大学唐江教授的支持与帮助，经过唐江教授的引荐，我与现在的工作单位结缘，让我可以在一个国家级平台做自己喜欢的科学研究。当然，我们科研人员往往会大量的时间和精力在研究上，容易忽略家人的感受，而家人给予的包容和理解，更会激发自己真正把研究工作做好。

您最敬仰的科学家是哪一位？简述原因。

肖泽文：我最敬仰的科学家是我的博士导师细野秀雄教授。最重要的原因是，细野教授从不盲目追逐热点，他潜心追求原创，以另辟新径的方式创造对社会有用的新材料。其次，细野教授非常严谨，再忙也会对研究结果和论文撰写会严格把关。细野教授非常注重基础知识，他经常会在周末抽时间读一些经典的教材，我认为一位资深科学家能在功成名就之后还能静下心学习是非常难得的事情。

您对年轻学生和青年科学家有哪些建议？

肖泽文：我自己资历尚浅，对年轻学生和青年科学家没有特别的建议。我个人觉得在读书的时候，扎扎实实把与自己研究方向相关的核心课程的经典教材啃下来，扎扎实实培养一些技能，会对自己的科学研究非常有用；一旦走上工作岗位之后，能系统性学习的时间会很少，所以特别希望年轻学生珍惜难得的读书时光。

设计：阿泽

排版：由理

美编：农民

责编：理趣

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