新颖Zintl相砷化物的合成、结构与性质

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lvsby2009
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磷族Zintl相化合物由于其多变的晶体结构和复杂的电子结构而备受关注。最近几年,这一类极性金属间化合物在很多方面的性质上都有所报道,比如超导、巨磁阻、热电等。通过金属助熔剂的方法,我们合成了一系列的Zintl相砷化物,主要内容包括:采用Sn作为金属助熔剂,得到了一个新的四元含As的Zintl相化合物,Ba13Si6Sn8As22。通过单晶衍射,我们确定了该化合物的结构。它的空间群为非心的I-42m (No.121),单胞参数为a=b=14.4857(3) A, c=13.5506(7) A, V=2843.40(17)A3。它的阴离子结构是由[Si4As10]类金刚烷结构和[SiAs4]四面体,通过[Sn2As4]单元连接形成。热分析测试表明Ba13Si6Sn8As22具有良好的热稳定性,在1045 K的时候,它分解为Ba3Sn4As6和其他一些无定形相。通过密度泛函理论研究了该化合物的电子结构,结果表明其带隙约为1.0 eV,这与光谱测试结果是较一致的。合成了两个新的Zintl相化合物Sr14Sn3As1 2和Eu14Sn3As12,并通过单晶衍射仪确定了两化合物的结构。这两个化合物的空间群均为手性群R3(No.146, Z=3),而且它们的阴离子结构都包含三部分:类乙烷的[Sn2As6]12-面体,[SnAs3]7-三角锥和三个游离的As3-。尽管两化合物具有相同的化学式和阴离子簇,但是一个很有趣的结构现象是两化合物具有相反的手性。电子结构计算表明,化合物中的阳离子并不是完全离子化的,它们会参与到共价键的构成。因此,阳离子的不同对应着的电子结构变化,有可能是两者手性相反的主要诱因。采用金属助熔剂的方法合成了两个新的Zintl相化合物Eu3Si2As4和Eu3Ge2Aa4,使用单晶衍射仪确定它们的晶体结构。这两个化合物的空间群均为单斜空间群P21/c,它们与Sr3Ge2As4同构。对Eu3Ge2As4的磁学性质研究表明,该化合物中的磁序为长程反铁磁排列,但是其外斯温度为正值,这说明在这一结构中,存在Eu-4f铁磁序和反铁磁序共存的现象。同时,借助密度泛函理论计算研究了该化合物的电子结构。以Sn作为金属助熔剂合成了Sr3Sn2As4的两种构形,其中α-Sr3Sn2As4相为Sr3Sn2P4的同构化合物,其空间群为Cmca,单胞参数α=25.798(2)A,b=12.8883(11) A,c:19.1244(16)A,V=6358.8(9)A3,Z=24,而β-Sr3Sn2As4与Ca3Si2As4同构,空间群为单斜晶系的P21/c,相应晶胞参数为α=7.7049(13),b=19.118(3),c= 7.6877(13),β=112.003(2)°,V=1049.9(3),Z=4。尽管两个相的结构明显不同,它们的阴离子结构都是由类似的[Sn2As6]八面体形成的。热分析测试表明α-Sr3Sn2As4具有良好的热稳定性,熔点大约在1185K,而β-Sr3Sn2As4则在800 K时表现出热分解。漫反射的测试结果表明两化合物带隙均在0.9 eV左右,这与密度泛函理论的计算结果是类似的。合成了新的Zintl相化合物Eu9Cd4+xSb9、Ca9Zn4.46(1)AS9和Ca9Mn4+xSb9(x≈1/2),虽然这些化合物具有类似的化学式,但是它们属于两种不同的结构类型。其中,Eu9Cd4.45(1)Sb9与之前报道的Ca9Zn4.5Sb9(Pbam)是同构的,其晶胞参数为a=12.9178(11)A,b=23.025(2)A,c=4.7767(4)A。而Ca9Zn4.46(1)As9和Ca9Mn4.41(1)Sb9属于另外一个结构类型,它们的空间群为Pnma,相应的晶胞参数为a=11.855(2)/12.490(2)A,b=4.2747(8)/4.6292(8)A,c=41.440(8)/44.197(8)A。对这两个结构类型进行了比较并讨论了它们之间的联系。对Ca9Zn4+As9进行热分析测试和电学输运测试表明,该化合物具有良好的热稳定性,且表现出半导体行为。Eu9Cd4+xSb9的磁学测试表明该化合物中的Eu为+2价。
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