Atomic Linkage Flexibility Tuned Isotropic Negative, Zero, and Positive Thermal Expansion in MZrF6 (M = Ca, Mn, Fe, Co, Ni, and Zn)

热膨胀 各向同性 负热膨胀 化学 大气温度范围 热的 同步加速器 衍射 结晶学 凝聚态物理 热力学 光学 物理
作者
Lei Hu,Jun Chen,Jiale Xu,Na Wang,Fei Han,Yang Ren,Zhao Pan,Yangchun Rong,Rongjin Huang,Jinxia Deng,Laifeng Li,Xianran Xing
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (44): 14530-14533 被引量:98
标识
DOI:10.1021/jacs.6b08746
摘要

The controllable isotropic thermal expansion with a broad coefficient of thermal expansion (CTE) window is intriguing but remains challenge. Herein we report a cubic MZrF6 series (M = Ca, Mn, Fe, Co, Ni and Zn), which exhibit controllable thermal expansion over a wide temperature range and with a broader CTE window (−6.69 to +18.23 × 10–6/K). In particular, an isotropic zero thermal expansion (ZTE) is achieved in ZnZrF6, which is one of the rarely documented high-temperature isotropic ZTE compounds. By utilizing temperature-dependent high-energy synchrotron X-ray total scattering diffraction, it is found that the flexibility of metal···F atomic linkages in MZrF6 plays a critical role in distinct thermal expansions. The flexible metal···F atomic linkages induce negative thermal expansion (NTE) for CaZrF6, whereas the stiff ones bring positive thermal expansion (PTE) for NiZrF6. Thermal expansion could be transformed from striking negative, to zero, and finally to considerable positive though tuning the flexibility of metal···F atomic linkages by substitution with a series of cations on M sites of MZrF6. The present study not only extends the scope of NTE families and rare high-temperature isotropic ZTE compounds but also proposes a new method to design systematically controllable isotropic thermal expansion frameworks from the perspective of atomic linkage flexibility.
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