鈣鈦礦與鈣鈦礦型材料的研究

班加星

摘 要：簡要敘述有關鈣鈦礦的物化性質，以及鈣鈦礦在地表的常見成因及產狀。了解鈣鈦礦獨特的八面體晶型結構，及共頂橋氧連接方式，明確這種結構的離子可替換性。簡要介紹在離子可替換性的基礎上進行的材料優化原理及應用，具體敘述有關太陽能電池板的應用及原理。最后進行簡要的概括總結，提出自己的研究想法。

關鍵詞：鈣鈦礦 鈣鈦礦型材料 八面體晶型 共頂橋氧連接 離子替換 材料優化

一、鈣鈦礦概述

1.鈣鈦礦的化學組成

主要成分是CaTiO3，氧化鈣的含量為41.24%，二氧化鈦的含量為58.76%，類質同

象混入元素可有Na，K，Ce，Fe，Nb，Ta，Nd，La等。

2.鈣鈦礦的成因

地表上的鈣鈦礦的形成主要原因有三種，分別是：第一，在地幔附近的鈣鈦礦隨著火山的噴發運動，跟隨巖漿被一起噴出地表。第二，在巖漿噴出的過程中，由于本身巖漿熱液的高溫，使得地表附近的黃長石發生相變，最終形成鈣鈦礦。第三，由于隕石的撞擊，在高壓之下使地表的巖石發生相變，進而也形成鈣鈦礦。

3.鈣鈦礦的單晶胞結構

其中Ca2+占據晶胞的八個角頂，Ti4+占據的是晶胞的體心，O2-占據的是六個面的中心，O2-和半徑較大Ca2+形成面心立方最密堆積結構，Ti4+填充在位于體心的八面體間隙中。

在離子共用及分配比例上看，在一個晶胞中平均有一個Ca2+，一個Ti4+，和三個O2-。因此，鈣鈦礦的晶體結構通常簡化成“113”式結構。

4.鈣鈦礦晶胞間的組合方式及特點

晶胞與晶胞之間是相互平行重復排列的，八面體與八面體之間角頂與角頂相互連接，上下整齊的羅列在一起。

八個鈣鈦礦小晶胞，并且每一個小晶體之間都是以橋氧連接的，形成三維結構框架，根據泡利的配多面體連接規則，這種結構比共棱、共面連接穩定。同時，共頂連接使八面體之間的空隙比共棱、共面連接時要大得多，允許較大尺寸的粒子填入，即使產生大量的晶體缺陷時，仍然能保持結構的相對穩定。同時，這種結構排列的方式，方便每個角上的離子的替換，化學性質優化更加容易。

二、鈣鈦礦型太陽能電池

1.鈣鈦礦型結構材料

在鈣鈦礦八面體結構的影響之下，一系列的ABX3型結構的分子材料應運而生。它們被統一叫做鈣鈦礦型材料，是一種半導體，我們得出在凝固態物理理論研究層面上，鈣鈦礦它既不含Ca，也不含Ti，同時也不是礦石，它們所指的鈣鈦礦型材料是具有ABX3結構形式的物質，這種物質通常用來制作光伏電池等材料。

2. 鈣鈦礦型結構材料的優化方式

對于ABX3型結構的分子，我們可以對其每個位置進行離子或離子團級別的替換，并以此來實現分子性能的改變。尋找到合適的太陽能電池材料也是通過這種方法實現的。

3.鈣鈦礦型材料的最初優化

在1978年Weber和Naturforsch首先報道了有機金屬鹵化物ABX3（在相應的ABX3結構位置對應中，A為CH3NH3有機離子團，B為Pb或Sn，X為Cl，Br或I）甲基銨首次在鹵化物鈣鈦礦中出現，而且通常為立方鈣鈦礦型結構。有機金屬鹵化物CH3NH3MX3通常是作為一種半導體染料。

4.鈣鈦礦型材料作為太陽能電池板的相關優點

這種優化過的材料原子核對于核外電子的束縛能量不是很強，因此，這種鈣鈦礦型半導體染料在受到太陽能的照射時，核外電子很容易擺脫原子核的束縛形成電流。這樣產生的激子只有約0.03電子伏的束縛能，在常溫下很容易形成自由電子與空穴。因此，正好滿足鈣鈦礦型太陽能電池的供能需要，正是由于很容易形成空穴與電子，才更容易傳輸電流。

三、總結與展望

鈣鈦礦有很多作為寶玉石的優良的物理性質，并且也有很簡單的化學組成，物質組成先對來講比較均一，產狀很特殊，一般可以在火成巖中找到，在地表不是很常見，一般都在地幔附近，在地表的成因也很廣泛，一般是變質生成的。

它的結構也很特殊，具有八面體共頂以橋氧連接式結構，相對來講比較穩定，中間空隙很大，方便其他離子的填充，也正是由于它的這個性質和結構特點，才更加方便其化學性質的改變。

對于由此結構引申出的鈣鈦礦型結構而言，正是具備了共頂連接式結構才方便其他礦質或有機質離子的替換，才方便于物化性質的改變，鈣鈦礦型太陽能電池板就是根據這一特點制造出的。

對于以后的工作，我們可以加大對不同位置有機離子的替換，來發現具有更多更新奇物化性質的離子，應用到我們的生產生活當中去，這樣我們也能更好的發覺這種結構的價值。

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