X射线衍射法研究CH3NH3PbX3的晶体结构

论文总字数：18148字

目 录

1.晶体简介 4

1.1 晶体的结构 4

1.2 几种晶体结构研究方法简介 5

1.2.1 X 射线衍射法简介 5

1.2.2其他研究方法 5

2. X射线外推法简介 8

2.1 晶格参数的最小二乘法计算原理 8

2.1.1无校正函数最小二乘法计算 8

2.1.2用矫正函数的最小二乘法 9

2.2 外推函数基础理论简介 10

2.2.1修正 X 射线衍射角度的函数 11

3.CH₃NH₃PbX₃晶体的X射线外推法研究 11

3.1 电池 11

3.2 CH₃NH₃PbBX₃晶体结构简介 13

3.2.1 CH₃NH₃PbBr₃的晶体结构简介 14

3.2.2 CH₃NH₃PbCl₃的晶体结构简介 14

3.2.3 CH₃NH₃PbI₃的晶体结构简介 14

3.3 研究结论 15

3.3.1 CH₃NH₃PbBr₃的晶体结构 15

3.3.2CH₃NH₃PbCl₃的晶体结构 17

3.3.3CH₃NH₃PbI₃的晶体结构 19

4.总结 22

参考文献 23

致谢 24

X射线衍射法研究CH₃NH₃PbX₃的晶体结构

张辉

，China

Abstract：In recent years, organic-inorganic hybrid perovskite materials show good photoelectric properties in the field of solar cells, and have wide application prospects. Therefore, it is of great significance to study the crystal structure of these materials. In this paper, the commonly used methods of crystal structure research and the basic principles of X ray extrapolation are briefly introduced. On this basis, the crystal structure of CH₃NH₃PbX₃ (X=Br, Cl, l) was studied by means of X ray diffraction. The X ray diffraction spectrum of the sample was first tested, the spectrum was analyzed, the diffraction peak was indexed, and the more accurate lattice constant was obtained by using the X ray extrapolation method based on the least square method. The lattice constants obtained from the X ray extrapolation method are in good agreement with the structural data of the existing hybrid perovskite materials. The two agree well. The results show that the X ray extrapolation method is simple in analysis and has a certain reference value for obtaining crystal structure information.

Key words:Perovskite materials, CH₃NH₃PbX₃ (X=Br, Cl, I), X ray diffraction, linear extrapolation

1.晶体简介

1.1 晶体的结构

在我们平时生活中固体是最普遍也是使用最为广泛的物质，其占比几乎超过了90%。而固体又大概可以分为晶体和非晶体。晶体指的是大量微观粒子单位按照一定的规律有序的排列，因此从结构单位的大小从而可判断其排列的规则和晶体形态。晶体一般还会有固定平整的外形，各向异性以及固定的熔点，这也是非晶体和晶体之间的一条很重要的区别。而这些区别是和其分子排列密不可分的。我们把晶体更详细分类的话，晶体又囊括了单晶体与多晶体这两种，单晶体典型的结构特征便是内部的分子是按照固定的规律和严谨的周期性排列的，多晶体也是由各种不同取向的单结晶体构成的。而他们最重要的区别便是重复周期多少的不同，这也是造成他们不同的性质的原因。

为了进一步研究结晶体的特性，布拉维（Bravais）于十九世纪中叶推导出了空间格子学说：他认为晶体可以看成相同的格点在三维空间做周期性无限分布的系统。而把这种格点的总和为我们称之为点阵。而这一理论也在1912年劳厄（Laue）对结晶体用x射线照射试验后得到了验证。为了更好的理解这一理论，我们可以采用把结构单元抽象成一个点，而且在空间中也是有体积的，占据了一定的空间，并且按照一定的规律周期性排列起来，再把这些点用线连接起来。用这种方法做出的我们称之为点阵，也叫晶格。如图所示。

图1.1 NaCl晶格

在晶格中我们把可以重复的最小单位定义为原胞，如图 1.2。从中可以发现不管在哪个晶格中都会有一个规则的六面体，而这个六面体便是晶胞。可以定义留个参数用来表示它，分别是边 a，b，c 和角α, β ,γ，α表示 bc 之间的夹角，β和γ分别表示 ca，ab 边之间的夹角。这样我们可以把晶体分为七大晶系。

图 1.2 晶胞

分别是三斜，单斜，正交，四方，立方，三方和立方晶系。而不同的晶系具有不同的晶胞特征，具体则表现在坐标系中为：三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ。单斜晶系 a≠b≠c α=β=90°≠γ.正交晶系 a≠b≠c，α=β=γ=90°。三方晶系 a≠b≠c，α=β=γ≠90°。四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90°。六方晶系 a=b≠c，α=β=90°，γ=120°.立方晶系 a=b=c，α=β=γ=90°。

我们任意连接两个格点做一直线，而这样相互平行的直线系我们称之为晶列。晶列的特征具体有：（1）一族平行的晶列便会把全部的格点都囊括在内。（2）在同一个平面中，处于一个族中的相邻晶列距离必相等。（3）穿过一个格点的晶列有无穷个晶列，其中每一晶列都有一族平行的晶列与之相对应。（4）有无限多族平行晶列。

晶面：指的是结晶体内三组不处于同一线节点构成的平面。在结晶体外部过其他格点做与原有晶面平行的晶面，这样我们便得到一组间隔相等的晶面，而且各个晶面上结点的分布情况是相同的，而这样的距离一样的晶面我们称之为一族晶面。面间距指的是在同一族的晶面中，相邻两晶面的距离。

空间群、点群理论：晶体内部结构中具有对称要素的的集合我们统称为 “空间群”。在1890至1891期间俄国科学家费多洛夫和德国结晶学家熊夫利斯先后独立推导得出所有晶体结构中最多只能有230种不同的对称要素组合方式，即230个空间群,32个点群。

1.2 几种晶体结构研究方法简介

1.2.1 X 射线衍射法简介

X射线是德国物理学家伦琴在 1895偶然发现的，所以我们也叫伦琴射线。其实最早发现X射线的是特斯拉，因为一次意外使其失去了研究的数据以及资料。而关于X射线的产生原理，直到后来才逐渐被人们发现，是因为具有高能量的电子打在原子上，会激发出原子的内层电子，从而留下空位，这时候原子高能级的电子就会自发的向空位跃迁，并且这种跃迁伴随着能量的释放，而释放的途径就是通过X射线释放的。也就是我们所说的粒子流。其波长介于紫外线和γ射线之间。最初人们并不认为X射线是一种波，也是经过了很长一段时间才被人确定它就是一种特殊的电磁波。所以自然而然它也就具有了光的特征：波动性和粒子性。其波长的范围是 0.01—100Å，具有比较强的穿透本领。对于晶体也是一样，因为晶体结构的特殊性所以可以把晶体当成衍射光栅，从而在研究晶体时，X射线也成了应用最广泛也是最为方便的途径。另外X射线还可以被用来研究其内部的分子，原子或者离子的排列情况，并可以定量分析以及精确测定晶体的晶胞参数，而晶胞参数是研究晶体结构的一个重要参数。X射线衍射技术也是近年来使用较多以及较广泛的晶体研究方法。

之前我们提到X射线是一种电磁波，所以它自然也就不是实体，因而它也没有质量，也不带电，而且在传播中如果介质均匀，那么它的速度也不会改变，虽然在介质中的传播速度低于在真空中的传播速度。正因为它是一种波，所以它也具备了发生衍射的基本条件，这也是它的基本特性之一。另外之所以X射线可以研究晶体结构是因为射线在晶体中的干涉现象，不同的结构所反映的衍射花纹也不同，所以我们可以通过X射线衍射仪来分析产生的衍射花纹，从而确定晶体的结构。

而X射线在晶体中的干涉原理与光的干涉原理有很强的相似度，干涉的原理是几个不等的光波相遇时产生的光强和各个波单独造成的光强分布之和不相等，从而产生明暗相间的现象。同理，当X射线照射晶体时，因为晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与X射线波长有一样的数量级，所以不同的原子散射不同的X射线，而这些射线相互干涉，所以会在某些特殊的角度下呈现强X射线衍射。可以把这种特定情况认为满足布拉格条件。如图1.3 ，布拉格条件即 2dsinθ=nλ.另外可以把晶体中原子规则性排列的这种特性理解为周期性的点阵，我们在不同的角度观察的话，则会出现一系列晶面。

图1.3 布拉格公式 2dsinθ=nλ

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18148字

相关图片展示：