鈣鈦礦結構
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鈣鈦礦結構得名自鈣鈦礦礦物(鈦酸鈣 CaTiO3),是電子陶瓷的大主力,其通式 ABO3 裝進兩種大小不同的陽離子外加氧。想像一個籠:小的 B 陽離子位於立方體的角,氧位於每條立方稜邊的中點,而單一一個大的 A 陽離子懸浮在中央的大空腔裡。
換個方式讀:每個 B 陽離子被六個氧以八面體籠住(配位 6),這些 BO6 八面體以共角相連,構築出三維骨架,而寬敞的 A 陽離子安坐在十二個氧之間(配位 12)。電荷平衡很有彈性,因為只需 A + B 的總和等於 6:2+ 配 4+(鈦酸鋇 BaTiO3)、1+ 配 5+(鈮酸鉀)、或 3+ 配 3+(鋁酸鑭)都行。容忍因子 t = (r_A + r_O) / (sqrt(2) times (r_B + r_O)) 量度離子契合得多緊;t 接近 1 給出理想立方,偏離則使八面體傾斜與扭曲。
那微小的扭曲正是魔法所在。在鈦酸鋇中,冷卻到居禮點(約 120 度 C)以下,會讓小小的 Ti4+ 離子在氧籠內偏離中心,像彈珠停在兩個凹窩之一,賦予晶體一個永久、可切換的電極化,這就是鐵電性,是多層陶瓷電容器與壓電感測器、致動器的基礎(PZT 也是鈣鈦礦)。誠實提醒:理想立方鈣鈦礦是例外而非常態;幾乎每一種有用的鈣鈦礦都是稍微傾斜或扭曲的版本,而正是那被打破的對稱,開啟了它的電性。
鈦酸鋇 BaTiO3 是教科書等級的鈣鈦礦:共角的 TiO6 八面體骨架,配上位於 12 配位空腔中的大鋇離子。在居禮點以下,鈦偏離中心,而那微小的偏移,正是數十億顆電容器內部的鐵電儲電。
共角的 BO6 八面體、外加位於 12 配位空腔中的大 A 陽離子:ABO3。
鈣鈦礦不是靠單一種陽離子大小維繫,而是兩種:一個大的 12 配位 A 陽離子與一個小的 6 配位 B 陽離子。結構是立方還是扭曲,取決於這兩種大小契合得多好,由容忍因子刻畫。