Nature Materials：新技术看见立方相的与众不同

张熙熙 11个月前 (04-09) 1703浏览

张熙熙

一、【导读】

热电或杂化钙钛矿等具有立方结构的能量材料通常被认为具有高度无序的特征。例如，以GeTe为代表的IV–VI族化合物中，这被认为提供了热电性能所需的低热导率。然而，传统的晶体学研究手段无法区分静态无序和原子运动。看似结构简单的GeTe却拥有意想不到的独特电子性质，例如，热电、超快相变，以及铁电与自旋自由度之间的耦合。这些特性的基础源自有着微妙相互作用的两个因素：有利于高对称立方相（c-GeTe)的共振p电子键以及由此所得的半满能带结构的Peierls不稳定性。其中，后者倾向于长、短交替的Ge-Te键，以及菱方对称性(r-GeTe)。

在器件应用方面，c-GeTe具有很大的潜力，这主要归功于其非谐振和高度可极化性。不过，尽管其应用前景颇广，其相变本质以及原始立方相的结构都存疑，例如，局域结构探针发现其属于对称性破缺造成的无序，但光谱和衍射测试则不支持该结论。这种争议在其他的IV–VI族化合物，铁电材料以及杂化钙钛矿太阳能材料中也时常出现，因此，对于具有高对称晶体结构的能源材料而言，其结构，涨落与性质之间的关联是悬而未决的难题。

二、【成果掠影】

最近，由Simon A. J. Kimber（法国勃艮第大学）、Anibal J. Ramirez-Cuesta （橡树岭国家实验室）、Simon J. L. Billinge（布鲁克海文国家实验室，哥伦比亚大学）等学者领衔的国际联合团队开发了一种新型的对分布函数（PDF）测试技术，名为“能量分辨可变快门对分布函数（vsPDF）”。即通过飞行时间中子谱仪从倒空间和能量的二维数据来产生动态PDFs。这种技术类似于我们在摄影中的模式，通过改变能量积分窗口（0 < E_max < ∞）实现快门速度的调控，并且基于开发的主成分分析（PCA）法来分离信号中的弹性与非弹性组分。进而实现了在原子运动的时间尺度上收集不同曝光时间的材料结构快照。

研究者采用这项最新技术发现，在所有温度下，GeTe的时间平均结构均为晶态，而非通常认为的无序，但在高温下具有各向异性的非谐动力学，类似于更快的快门速度下捕捉到的静态无序，该现象与沿着<100>_c方向的铁电涨落有关。

相关研究工作以“Dynamic crystallography reveals spontaneous anisotropy in cubic GeTe”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上。