复杂阴离子材料的结构测定

固态材料广泛应用于半导体、荧光粉、电池等领域，已成为现代生活不可或缺的一部分。在这些复杂的复合材料中替换元素是实现所需材料特性的一种流行技术。通过用另一种元素如氟(复合阴离子技术)部分取代氧化物固体中的氧，可以获得各种特性。

然而，要通过替换来调整材料特性，重要的是要了解材料中元素被替换的位置。如果取代位点靠近固体中的高反应位点，则它有利于产生某种材料特性的反应。

为此，由日本先进科学技术研究所的RyoMaezono教授领导的一组研究人员开发了一种分析工具，用于研究复杂复合材料铅钛氧氟化物中氟的有序性。

在2022年9月23日发表在DaltonTransactions上的最新研究中，研究人员报告说开发了一种跨学科方法来阐明复杂复合材料中取代原子的位置。为了克服仅通过实验技术确定替代位点的局限性，该团队采用了先进的计算模拟。正如Maezono教授解释的那样，“我们已经建立了一种通过计算机模拟来确定固体材料中取代原子位置的方法，这是仅通过实验无法确定的。”

研究人员使用称为“第一性原理计算”(密度泛函理论)的模拟来分析实验结果并确定复合阴离子材料中的元素取代位置。该团队成功地确定了复合阴离子材料的元素取代位置，其中一些氧原子被氟取代。

使用第一性原理计算对具有各种元素替换位置的晶体结构模型进行了模拟，并比较了每个能量值。结果表明，给出最低能量值的取代位置是可能的取代位置。使用具有以这种方式确定的取代位置的晶体结构模型进行进一步的模拟，并获得与在各种实验中观察到的数据一致的结果。

该分析表明，在氟氧化铅钛中，氟原子主要占据六个可用不等价位点中的两个，比例为73:27。研究人员使用基于密度泛函理论的计算解释了氟在这些地点的偏好，该计算与实验观察到的占有率相匹配。他们进一步解释说，铅原子的价电子可以潜在地决定大部分和少数氟的占据位点。

使用超级计算设施，更快的模拟现在能够确定哪个替换位置与实验的差异最小。这种方法补充了实验观察，以揭示复杂材料中阴离子排序的机制。这一结果使得在材料开发领域提供强大的分析工具成为可能，其中对固体材料进行原子级取代并调整其性质。

Maezono教授总结说：“这项工作中开发的方法可以加速混合阴离子材料的开发。混合阴离子技术可以实现比半导体自旋电子工业中传统的单阴离子材料更好的材料。”