化学压力调控双钙钛矿氧化物的宏观量子态

The aim of this investigation is to develop new type mixed-valence & novel-valence double perovskite transition metal oxides with macroscopic quantum phenomena. In the compounds the Jahn-Teller distortion and connection of BO6 octahedron can be adjusted via chemical pressure and valence adjustment, which are important factors influencing the electrical properties and macroscopic quantum states. X-ray diffraction technique, SEM/TEM, EXAFS, etc. will be used to characterize the crystal structure, phase transition, modulated structure, structural imperfection and order-disorder distribution。PPMS, SQUIDS, Agilent Precision LCR Meter, etc will be used to characterize the physical properties (specific heat, permittivity, magnetic， electrical and transport properties) under variable temperature and magnetic field. The scientific impact of this work will contribute to a fundamental understanding of quantum effect in superconductor and related systems, including aspects of coexistence and competition of CDW, SDW, superconductivity, and ferro/antiferromagnetism. Furthermore, the discovery of new members of superconductor with double perovskite structure represents an additional exciting advance. Ultimately, the comprehensive knowledge gained from these studies will be used as a foundation for the development of advanced functional materials.

本项目是通过化学压力作用和价态调控的方法，改变双钙钛矿金属氧化物中BO6八面体的Jahn-Teller晶格畸变和联接方式，以制备出新颖的包含复杂价态和奇异价态的功能双钙钛矿氧化物为基础，开展对宏观量子态和电性质研究。利用X-射线衍射技术、扫描/透射电镜及同步辐射等方法研究新型双钙钛矿结构氧化物的基本晶体结构以及微结构中存在的相变、调制结构、结构缺陷、有序无序分布等科学问题。利用综合物理性质测试系统、超导量子干涉磁性测量系统、介电测试系统等对化合物进行综合的宏观物理性质表征，研究化合物在变温和变磁场环境下化合物的磁性、比热、电性和输运性质。进一步研究双钙钛矿结构中的自旋密度波、电荷密度波、磁有序等量子态之间的共存和竞争作用和这些宏观量子态对电性的影响，关注化合物中存在的与高温超导电性相关的量子效应。探索新的超导材料和新的量子作用机制。为新型功能材料的开发提供研究基础。

无机材料的结构和性质之间的关系一直是固体化学研究的首要研究问题。通过调节化合物的特定组分，从而产生内部的化学压力来改变体系的结构和组分，进而调节化合物的物理和化学性质具有科学研究价值。本项目主要包括化学压力调节可具有复杂价态过渡金属氧化物体系无机材料的合成、表征及纳米化材料在催化中的应用,研究内容基本按照计划进行。首先进行了化学压力对结构和性质调控影响的研究。通过水热合成方法成功的制备了具有平面四配位Cu2+的硅酸盐化合物CuBaSi2O6，CuBaSi4O10等。对化合物CuBaSi4O10的Ba2+位可以用Sr2+离子进行取代的化学压力调节。研究显示CuBaSi2O6化合物中二聚Cu2+离子之间存在有趣的自旋二聚体耦合现象。同时该类型化合物具有优秀的近红外发光性质，量子产率高于10%，具有广阔应用前景。其次，我们在研究多重价态过渡金属氧化物时发现可以利用强还原性金属制备Ti3+离子自掺杂的钛酸盐化合物。作为贵金属附载的基质材料，利用Ti3+离子的还原能力，原位附载催化活性高的金属纳米粒子，体现出极好的CO氧化催化活性。在铁系钙钛矿的水热合成研究中，利用水热方法，我们获得了K2Fe4O7新物相和Fe3O4 纳米粒子与FeWO4 纳米线复合p-n结结构，并对性质进行了研究。最后，我们使用溶液燃烧法成功的制备了一系简单钙钛矿，双钙钛矿化合物，产物具有纳米尺寸。这种方法简单而高效，对于大部分过渡金属硝酸盐原料都适用，因而制备了多种组分和结构的钙钛矿结构化合物。进一步对化合物的物理性质和化学性质进行了表征和初步研究，取得了一些有价值的进展。