Homologous Alkali Metal Copper Rare-Earth Chalcogenides A2Cu2nLn4Q7+n (n = 1, 2, 3)

镧系元素 电负性 碱金属 同系序列 结晶学 硫系化合物 协调数 原子序数 Atom(片上系统) 四面体 材料科学 化学 原子物理学 离子 物理 嵌入式系统 有机化学 冶金 计算机科学
作者
Craig C. Laing,Jiahong Shen,Michael A. Quintero,Benjamin E. Weiss,Yi Xia,Zhi Li,Jiangang He,Chris Wolverton,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:34 (7): 3409-3422 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.2c00223
摘要

Twenty-seven new members of the A2Cu2nLn4Q7+n (A = Cs, Rb; Ln = La–Nd, Sm, Gd–Yb; Q = S, Se) homologous series were synthesized in one of three structural types (indicated by n = 1, 2, 3). All the compounds contained 3D frameworks with alkali-metal-containing tunnels. For each increment in n, one Cu2Q was added, which was incorporated into the framework as an edge-sharing tetrahedron by replacing a square planar chalcogenide site. High-throughput DFT calculations predicted many of the phases to be thermodynamically stable. These predictions were compared with the synthesis results for the phases formed in each composition space. In the syntheses, heavier lanthanides showed a preference to start forming the n = 3 ACu3Ln2Q5, which is consistent with the predictions. RbCuNd2Se4 and RbCuTb2Se4 were found to be thermally stable under vacuum at temperatures up to 1000 °C. Optical measurements revealed band gaps of 1.55(5) and 1.62(5) eV for CsCuCe2Se4 and RbCuTb2Se4, respectively, and a work function of 4.83(5) eV for CsCuPr2Se4. Additionally, some n = 3 ACu3Ln2Q5 compounds exhibit a negative phonon mode because of a copper atom coordination, which may distort to a trigonal planar geometry at sufficiently low temperatures. The dynamic instabilities and the predicted distortion in the copper tetrahedra for the n = 3 ACu3Ln2Q5 compounds were found to have a linear relationship with the atomic number of the lanthanides and the electronegativity of the lanthanides. The A2Cu2nLn4Q7+n compounds can potentially find application as high-temperature thermoelectric materials and other semiconductors.
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