最密堆積與常見晶體結構

鈣鈦礦結構(perovskite structure)

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鈣鈦礦結構得名於礦物鈣鈦礦(鈦酸鈣,CaTiO3),是整個材料科學中最萬用、最重要的結構之一。它容納兩種不同的陽離子——大的 A 與小的 B——連同一種陰離子 X(通常是氧)。想像一個由共角八面體連成的骨架,一顆大離子在它們之間的空腔裡晃動,就抓到了核心意象。

在理想的立方形式中,小的 B 陽離子坐在立方體的每個角,氧坐在立方體各邊的中點(因此每個 B 被六個氧包圍成一個 BO6 八面體),而大的 A 陽離子坐在體心,有十二個氧鄰居。每晶胞 1 個 ABO3 化學式單位,A 配位數 12、B 配位數 6,BO6 八面體共用每個角,構築出連續的骨架。立方體會保持完美或發生扭曲,由高德施密特容忍因子刻畫:t = (rA + rO) 除以 sqrt(2) 乘 (rB + rO);數值接近 1 給出立方鈣鈦礦,較小的值則使八面體傾斜、對稱性下降。

光是這一種結構就容納了種類驚人的功能材料:鈦酸鋇(鐵電,陶瓷電容器的核心)、鋯鈦酸鉛即 PZT(標準壓電材料)、鑭錳氧化物(巨磁阻)、鈦酸鍶、高溫超導銅氧化物(層狀鈣鈦礦),以及如今正在革新太陽能電池的鹵化物鈣鈦礦。八面體的傾斜與偏心驅動位移型相變,使鐵電與鐵彈行為得以開關切換。

鈦酸鋇(BaTiO3)是鈣鈦礦:冷卻至 120 度以下時,Ti4+ 在其八面體中偏離中心,使晶體變為鐵電,這是多層電容器的基礎。

一個共角八面體骨架,籠中有一個大陽離子:已知功能性最豐富的結構。

室溫下真正呈立方的鈣鈦礦其實很少;多數會傾斜或扭曲,而正是這些對理想立方的微小偏離,產生了鐵電性、壓電性及其有用的性質。

又称
ABX3CaTiO3 structure鈣鈦礦結構ABO3 結構