High-entropy halide perovskite single crystals stabilized by mild chemistry

八面体 卤化物 离子键合 结晶学 晶体结构 晶格能 钙钛矿(结构) 单晶 化学 分子 化学物理 材料科学 无机化学 离子 有机化学
作者
Maria C. Folgueras,Yuxin Jiang,Jianbo Jin,Peidong Yang
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:621 (7978): 282-288 被引量:138
标识
DOI:10.1038/s41586-023-06396-8
摘要

Although high-entropy materials are excellent candidates for a range of functional materials, their formation traditionally requires high-temperature synthetic procedures of over 1,000 °C and complex processing techniques such as hot rolling1-5. One route to address the extreme synthetic requirements for high-entropy materials should involve the design of crystal structures with ionic bonding networks and low cohesive energies. Here we develop room-temperature-solution (20 °C) and low-temperature-solution (80 °C) synthesis procedures for a new class of metal halide perovskite high-entropy semiconductor (HES) single crystals. Due to the soft, ionic lattice nature of metal halide perovskites, these HES single crystals are designed on the cubic Cs2MCl6 (M=Zr4+, Sn4+, Te4+, Hf4+, Re4+, Os4+, Ir4+ or Pt4+) vacancy-ordered double-perovskite structure from the self-assembly of stabilized complexes in multi-element inks, namely free Cs+ cations and five or six different isolated [MCl6]2- anionic octahedral molecules well-mixed in strong hydrochloric acid. The resulting single-phase single crystals span two HES families of five and six elements occupying the M-site as a random alloy in near-equimolar ratios, with the overall Cs2MCl6 crystal structure and stoichiometry maintained. The incorporation of various [MCl6]2- octahedral molecular orbitals disordered across high-entropy five- and six-element Cs2MCl6 single crystals produces complex vibrational and electronic structures with energy transfer interactions between the confined exciton states of the five or six different isolated octahedral molecules.
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