物质学院米启兮课题组设计合成新型立方钙钛矿材料

我校物质学院米启兮课题组设计合成出一个全新的刚性球形阳离子，并成功将其嵌入合适的骨架中，合成了一种具有新型“笼在框中”结构的钙钛矿材料，该材料具有特殊的结构稳定性和电学性能。近日，相关成果以“Order-Disorder Transition of a Rigid Cage Cation Embedded in a Cubic Perovskite”为题在国际知名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表，该成果被审稿人评价为“有新意、高质量且深入”的研究工作。

近几年来，有机无机杂化钙钛矿材料在钙钛矿研究领域异军突起，其在光伏、荧光以及铁电等领域有非常广泛的应用。在低温结构中，有机阳离子位置固定，使无机骨架对称性降低；而在高温下，随着有机阳离子的自由转动，无机骨架呈现更高的对称性。此类材料的有序-无序相变通常伴随着骨架结构的变化，这使得主体（无机骨架）与客体（有机阳离子）之间对材料结构及性能的影响难以区分。

为了解决这一问题，米启兮课题组设计并成功合成了一种球形有机阳离子——氮杂三环庚烷阳离子（Ath⁺），该离子具有与众不同的高度对称刚性骨架结构。随后，课题组按照体积匹配的原则成功将其嵌入Mn(N₃)₃−框架中，产生了一种具有“笼在框中”结构的新型立方钙钛矿材料AthMn(N₃)₃。实验结果表明，其中Ath⁺离子转动与否均不影响无机钙钛矿骨架的立方结构，但会大幅改变材料的介电常数，使AthMn(N₃)₃由反铁电体转化为顺电体。“这就像整齐排列的小风车，在一阵*风吹来时，每个风车叶片的转动是无序的，但风车各自的位置和间距并不改变。”

该研究提出了一种球形有机阳离子的设计合成路线，为合成更多独特的有机阳离子提供了新思路；设计合成了一类全新结构的钙钛矿材料，为钙钛矿材料领域的研究开辟了新方向；深入分析了有机-无机杂化材料中的有序-无序相变，为研究其他有序-无序转变或更为复杂的无序系统提供了新模型。

该研究论文的作者均为上海科技大学师生，第一作者史志方为材料专业2020届博士毕业生，现为美国北卡罗来纳大学博士后。上科大物质学院多位本科生深度参与了这项科研课题，包括方正（化学专业2017级本科生）、武婧书（材料专业2016级本科生，已毕业）、陈怡（化学专业2014级本科生、2018级研究生）。米启兮教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。

本研究工作获得了科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上项目的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23917-z