含d10金属离子的磷硫、硫卤化合物的合成、晶体结构及性能研究

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含d10金属离子的磷硫、硫卤化合物,具有结构类型丰富,功能基团灵活可调,合成条件温和,以及结构功能的构效关系比较确定等特点,是一种潜在的有良好光电热学性质的材料体系。  本论文的工作主要是通过中温固相合成方法探索合成出一系列含d10金属离子的磷硫、硫卤化合物。我们对其晶体结构、物相纯度,光学带隙、热稳定性、红外透过范围进行了表征,对其中一些化合物的非线性光学性能、导电性能进行了测试,同时也开展理论研究,通过第一性原理方法(使用的量化计算软件主要有CASTEP,Abinit,VASP等)探索这类材料的晶体结构和性能之间的构效关系。这些结果为获得一些新的具有新颖结构和良好光电性能的化合物提供了很好的指导作用。  本论文的工作得到如下初步研究结果:  1)通过引入独特的d10离子和配位环境多变的含孤对电子的金属离子,设计并合成出了Ag3BiP2S8(1),Ag7SnP3S12(2)和Ag7PbP3S12(3)三个化合物。我们通过粉末衍射表征了其物相纯度,并测试了其光学带隙和红外透过性。有意思的是,化合物1-3具有良好的离子导电性,其导电性随温度变化会发生改变。同时,化合物3在204℃存在相转变,通过对3进行价键理论计算,表明相变是由于Pb-S(Ag-S)和P-S键的膨胀系数的不一致造成的。通过同时引入d10离子和含孤对电子的Bi3+,Sn2+和Pb2+离子,并通过与种类丰富的(PaSb)n-阴离子的协同作用,将会发现新型的性能优异的导电和相变晶体材料。  2)为进一步研究该体系中d10离子在构效关系中发挥的作用,我们通过传统固相法合成了同时含两种d10离子的化合物Ag2CdP2S6(4),AgCd3PS6(5),CuCd3PS6(6)和CuZnPS4(7),Cu2Cd0.5PS4(8)和Cu2ZnPS4(9)。其中化合物4在280℃下存在相变,价键理论计算表明相变是由于Cd-S(Ag-S)和P-P(P-S)键的膨胀系数的不一致造成的。化合物5,6和7晶体结构具有AgS4(CuS4),CdS4(ZnS4)和PS4非中心对称四面体构型,它们通过四面体构型择优取向排列,有利于产生较强的非线性光学信号。粉末倍频法测试表明5-7与典型的AgGaS2(AGS)材料具有相当的倍频信号。本研究结果表明含d10离子的金属磷硫化合物是一种潜在的中远红外非线性光学晶体材料体系。  3)我们通过中温固相法,合成了化合物CdSnSCl2(10)与CdSnSBr2(11)两例化合物,它们通过与碱金属的卤化物混合,可对其阴离子进行类似复分解反应的置换。另外,我们合成了BiIn2Te4Cl(12),它的结构是三维结构。金属硫卤中包含有混合阴离子,即一个金属原子有可能同时键合不同大小和不同电负性的硫原子和卤素原子,将会丰富化合物的晶体结构及产生独特的物理化学性质。
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