Tunable Negative Thermal Expansion in Layered Perovskite Ba3Zr2S7

化学 钙钛矿(结构) 负热膨胀 热膨胀 热的 结晶学 热力学 物理
作者
Nathan Z. Koocher,Alison B. Altman,Ryan A. Klein,Christos D. Malliakas,Steven D. Jacobsen,Danna E. Freedman,James M. Rondinelli
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c00314
摘要

We simulated the thermal expansion coefficient (TEC) of the layered perovskite sulfide Ba3Zr2S7 (P42/mnm symmetry) from first principles. The calculated ambient pressure and room-temperature volumetric TEC is 38 × 10-6 K-1, which makes the material suitable for use in conventional PV devices. We further predicted low-temperature, pressure-tunable negative thermal expansion (NTE) in Ba3Zr2S7 that arises from a quasi-2D vibration mechanism shared by other n = 2 Ruddlesden-Popper oxides Ca3Ti2O7, Ca3Zr2O7, and Sr3Zr2O7. We computationally found a pressure-induced phase transition to a structure in the monoclinic crystal system. Experimental investigation of this system as a function of pressure supported by in situ diffraction studies in a diamond anvil cell confirmed a phase change at high pressures to a new polymorph that likely exhibits P2/c symmetry. Our simulations show that the quasi-2D mechanism and proximity to a mechanochemical transition enhance the NTE response. These features may be used to design NTE in other layered perovskites.
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