פרובסקיט (מבנה)

מבנה פרובסקיט (perovskite) הוא מבנה גבישי של חומר הקרוי על שם המינרל פרובסקיט, בעל הנוסחה CaTiO₃ המכונה גם קלציום טיטנאט. הנוסחה הכללית של מבנה הפרובסקיט היא ABX₃, כאשר A ו-B מסמנים קטיונים בעלי גדלים שונים מאוד, ו-X מסמן אניון הקשור לשניהם - בדרך כלל חמצן. אטומי A גדולים יותר מאטומי B, הנמצאים במרכז תא היחידה.

שם זה הוענק למשפחה גדולה של חומרים בעלי מבנה גבישי דומה (פרובסקיטים).

מבנה גבישי

מבנה פרובסקיט (perovskite) בעל הנוסחה הכימית ABX₃. באדום מסומנים האניונים X (לרוב חמצן), בכחול מסומן הקטיון הקטן יותר, B (למשל יון טיטניום), ובירוק מסומנים הקטיונים A הגדולים יותר (למשל סידן). באיור מתואר מבנה קובי בעל סימטריה גבוהה, אולם בפרובסקיטים רבים קיימים עיוותים במבנה המורידים את הסימטריה לאורתורומבית, טטרגונלית או טריגונליתתבנית:הערה

במבנה הקובי האידיאלי, הקטיון הקטן יותר B הוא בעל מספר קואורדינציה של 6, והוא מוקף על ידי אוקטהדרון של אניוני X. הקטיון הגדול יותר A הוא בעל מספר קואורדינציה של 12. על מנת לשמור על היציבות של המבנה, הגדלים היחסיים של היונים צריכים לשמור על טווח צר של יחסים אפשריים. כאשר מתקרבים לקצה הטווח המותר של הגדלים היחסיים, יכולים להיווצר במבנה עיוותים וסיבובים, אשר מורידים את הסימטריה של הסריג ומשפיעים על מספרי הקואורדינציה של היונים. לשינויים מזעריים מסוגים אלה בסימטריה של המבנה יכולות להיות השפעות מרחיקות לכת על המבנה האלקטרוני של החומר, המתבטאות בשינויים בתכונות החשמליות והמגנטיות שלו.

יחס גולדשמידט

היחס המותר בין גודלי היונים לשמירה על יציבות המבנה, המסומן t, נקרא פקטור Goldschmidtתבנית:הערה, והוא ניתן על ידי הנוסחה: $$t=\frac{r_A+r_X}{\sqrt{2}(r_B+r_X)}$$ כאשר r_A, r_B ו-R_X מציינים את הרדיוסים היוניים השונים.

כאשר יחס גולדשמידט גדול מאחד, יתקבל מבנה הקסגונלי. כאשר יחס זה היא בין 0.9 ל-1 יתקבל מבנה פרובסקיט קובי. כאשר היחס הוא בטווח שבין 0.9 ל-0.71 יתקבל מבנה אורתורומבי או רומבוהדרלי, המהווים במקרה זה מבני פרובסקיט קוביים בעלי עיוות סריגי.

תכונות ושימושים

מבנה אלקטרוני ותופעות פיזיקליות

לפרובסקיטים רבים, במיוחד לתחמוצות של מתכות מעבר ושל עפרות נדירות, קיימות תכונות אלקטרוניות מורכבות ושימושיות, אשר מושכות עניין רב בפיתוח טכנולוגי ובמחקר מדעי בסיסי, במיוחד בפיזיקה של מצב מוצק. בין התופעות ניתן למנות מעבר מוליך-מבודדתבנית:הערה, colossal magneto-resistanceתבנית:הערה, היווצרות של גז אלקטרונים דו-ממדי (2DEGתבנית:הערה) בממשקים בין שני מבודדיםתבנית:הערה, ותופעות נוספות. פרובסקיטים יכולים להיות פאראמגנטיים (למשל לנתנום סטרונציום מנגניט, LSMOתבנית:הערה), פרומגנטיים, אנטיפרומגנטיים (למשל לנתנום-מנגניט, LMOתבנית:הערה) ודיאמגנטיים, הם יכולים להיות פרואלקטריים ופייזואלקטריים (למשל עופרת-זירקוניום טיטנאט PZTתבנית:הערה) וגם מולטי-פרואייםתבנית:הערה (למשל ביסמוט-פריט, BFOתבנית:הערה או ארופיום-טיטנאט).

תאים סולאריים

בנוסף, בשנים האחרונות חלה התקדמות ניכרת ביעילות של תאים סולאריים מחקריים המבוססים על פרובסקיטים היברידיים, אורגנו-מתכתיים של האלידי עופרתתבנית:הערהתבנית:הערה. חומרים כאלה הם בעלי נוסחה כגון (תבנית:Chem), כאשר ההליד (כלור, ברום, או יוד, לרוב) הוא האטום X, העופרת היא האטום B, והרכיב האורגני הוא האטום A. ניתן לייצר שכבות דקות לתאים סולאריים מחומרים אלה בטמפרטורות נמוכות (מתחת 100 מעלות צלזיוס) וללא הצורך במערכות ואקום ותהליכי ייצור של מיקרואלקטרוניקה, הנהוגים בתאים סולאריים מתקדמים, ובכך מקווים להוריד את עלויות הייצור ולאפשר ייצור על משטחים גמישים. עם זאת קיימים עוד אתגרים שיש לפתור לפני שהטכנולוגיה תוכל להפוך למסחרית.

ראו גם

• פרובסקיט (מינרל)
• סטרונציום טיטנאט