钙钛矿结构

上个世纪一些最了不起的无机材料——超导体、超声与声呐中的压电陶瓷、以及最新的太阳能电池吸光层——都共享同一种结构蓝图。它以矿物钙钛矿、即钛酸钙（CaTiO3）命名，是大自然堆叠众多通式为 ABO3 化合物的标准方式，其中 A 和 B 是大小迥异的两种不同金属阳离子。

这种结构最易想象成一张共顶角八面体网络，里头有一个大阳离子在空腔中晃动。又小又高电荷的 B 阳离子（这里是 Ti4+）位于六个氧离子构成的八面体中心；这些 BO6 八面体通过共享每一个顶角相连，搭起一个开放的三维骨架。大阳离子 A（这里是 Ca2+）坐在由八个这样的八面体围出的大空腔中央，被十二个氧离子环绕（配位 12）。晶胞的一种画法：B 在顶角、A 在体心、氧在棱中点——一个含一个 ABO3 单元的立方晶胞（Z = 1）。所以钙钛矿是阳离子 12:6 配位、共用一套氧骨架的化合物。

钙钛矿之所以闻名，是因为对这套骨架做微小的调整就能解锁惊人的性质。把八面体稍稍倾斜或畸变，便使钛酸钡（BaTiO3）具有铁电性与压电性——挤压它就产生电压，用于麦克风和声呐。混合金属的钙钛矿是高温超导体（铜酸盐 YBa2Cu3O7 就是层状、缺氧的钙钛矿）。而有机-无机的卤化铅钙钛矿（如 CH3NH3PbI3）已成为廉价高效太阳能电池的明星材料。其中最重要的一个数是容忍因子，一个由离子半径构成的比值，用来预测给定的 A 与 B 对究竟能否真正嵌进钙钛矿笼子、还是会畸变偏离它。