杜克大学的研究人员揭示了长期隐藏的分子动力学，为太阳能和热能的应用提供了令人兴奋的一类材料，称为卤化物钙钛矿。

 

这些材料如何产生和传输电力的关键因素，实际上取决于它们的原子晶格以铰链式的方式扭曲和旋转。这一研究结果将有助于材料科学家探索如何以环境友好的方式将这些材料的化学配方应用于更广泛的应用领域。

 

研究结果发表在3月15日的《自然材料》杂志上。

 

杜克大学机械工程与材料科学副教授Olivier Delaire表示:“人们对卤化物钙钛矿在能源应用方面的广泛兴趣， 杏耀的体会 ，如光伏、热电、光电辐射探测和发射——整个领域都非常活跃。”“虽然我们知道这些材料的柔软度对它们的电子特性很重要，但没有人真正知道我们发现的原子运动是如何支撑这些特性的。”

 

钙钛矿是一类材料，通过适当的元素组合，可以长成晶体结构，使它们特别适合于能源应用。例如，它们吸收光线和有效转移能量的能力使它们成为研究人员开发新型太阳能电池的共同目标。它们也很软，有点像纯金很容易产生凹陷，这让它们有能力容忍缺陷，并在制成薄膜时避免开裂。

 

然而，一种方法并不适用于所有的钙钛矿，因为有很多潜在的配方可以形成钙钛矿。许多最简单、研究最多的配方都含有卤素——如氯、氟或溴——因此它们被称为卤化物钙钛矿。在钙钛矿的晶体结构中，这些卤化物是连接相邻的八面体晶体图案的连接点。

 

虽然研究人员已经知道这些枢轴点对钙钛矿的特性产生至关重要，但还没有人能够研究它们是如何让周围的结构动态地扭曲、旋转和弯曲而不断裂的，就像强烈摇晃果冻模子一样。

 

众所周知，这些结构运动很难通过实验来确定。选择是中子散射技术,伴随着巨大的仪器和数据分析工作,很少组织命令技术,奥利弗和他的同事做的,”Volker布卢姆说,杜克大学的机械工程和材料科学教授谁钙钛矿的理论建模,但并未参与这项研究。“这意味着它们能够揭示基本钙钛矿中材料属性的基础，而这是其他方法无法达到的。”

 

在这项研究中，Delaire和来自阿贡国家实验室、橡树岭国家实验室、国家科学技术研究所和西北大学的同事首次揭示了结构简单、通常被研究的卤化钙钛矿(CsPbBr3)的重要分子动力学。

 

研究人员从一个巨大的，厘米尺度的卤化物钙钛矿单晶开始，众所周知，杏耀开帐号要长到这样的尺寸是非常困难的——这也是为什么这种动态研究至今还没有取得进展的主要原因。然后，他们在橡树岭国家实验室用中子和阿贡国家实验室用x射线轰击晶体。通过测量中子和x射线在不同的时间间隔和不同角度上如何从晶体中反弹，研究人员弄清楚了晶体的组成原子是如何随时间移动的。

 

在用计算机模拟确认他们对测量结果的解释后，研究人员发现了水晶网络实际上有多活跃。通过溴原子相互连接的八边八面体图案在板状结构域中集体扭曲，并以非常像流体的方式不断来回弯曲。