[发明专利]同尺度多重有序度材料设计策略、制备方法与相关器件

说明书

本发明公开了一种同尺度多重有序性的材料的设计策略：将一系列结构基元按尺寸分类，并构造基本的框架‑填充结构；通过嵌套将基本的框架‑填充结构构造为多层级复结构；通过密铺将对应多层级复结构转化为多层级复式晶格；通过特定层级的多样化，使对应层级表现多重有序性，获得同尺度多重有序性材料。本发明还公开了对应设计策略的制备方法：根据设计策略，选定结构基元对应的前驱体材料，并通过外场调制引导其间反应形成中间体；在中间体中，进一步通过外场调制或引入其他助剂，形成初步的多重有序性材料；通过额外掺杂或外场引导的方式，得到同尺度多重有序性的材料。本发明还公开了一类该材料的相关器件。

技术领域

本发明涉及材料科学领域，特别是涉及一系列材料的设计策略，其在相同尺度上的结构基元有序度不同。此外，本发明还涉及一系列涉及上述材料的制备方法与相关的器件应用。

背景技术

在既往的材料学研究中，化学组成相同而原子排列不同的一系列材料被称为同质异形体。例如，方解石与霰石其化学组成均为碳酸钙，但两种材料的晶格结构不相同，对应的理化特性也存在较大的差别。广义上的同质异形体对其中的原子排列形式的周期性并无限定，因而同种材料的结晶态与玻璃态也可认为是同质异形体。在结晶态的材料中，由数个原子组成的结构基元满足空间平移对称性，使结晶态材料表现出长程有序性。这种空间上的长程序将赋予结晶态材料一定的晶格能，从而固化结晶态材料的相变温度，使结晶态材料有固定的熔点。然而，当其该材料的各原子在空间中堆积无法满足平移对称性时，材料的长程序即随之破坏，对应的晶格能也随之消解，取而代之的是不特定的短程与中程相互作用能，各相互作用的能量大小取决于材料内部剩余的中程与短程有序程度，此时的材料即表现为玻璃态。由于短程与中程有序相互作用能不特定，对应的，玻璃态材料也没有固定的熔点，仅可通过玻璃化温度描述相变开始的温度。例如，对于二氧化硅而言，当其中的氧原子与硅原子组成[SiO4]的结构基元，并在空间中以一特定尺度位移时，将形成石英晶体；而如果对应的氧原子与硅原子均以不均等的位移距离在空间中堆积时，形成的则是石英玻璃，这两种材料的理化特性存在较大的差异，因而不能被简单视为一种材料。

通过对结晶态与玻璃态的研究不难发现，在化学组成完全相同的情况下，如其有序度发生变化，得到的材料也会不同。一般而言，认为同尺度上的有序度应表现一致。也就是说，对于结晶态的二氧化硅而言，其中的硅原子与氧原子均应表现出相同的长程序，对应的，其结构基元[SiO4]在空间中也应当表现出对应的长程有序性。再比如说，对于铜锌合金中的β-黄铜而言，低温下该合金为体心立方晶胞，其中铜原子位于晶胞体心，锌原子位于晶胞角顶，此时无论对于铜原子、锌原子还是对应的体心立方晶胞而言，均表现出良好的长程序；当该黄铜被加热到特定温度时，铜原子与锌原子将等概率的出现在体心立方晶胞的角顶与体心，对应的，铜原子与锌原子将均失去长程序，而晶格也不再维系长程序特性，从而使整个体系无序化。

需要区分的是，前述的同尺度上有序度一致，并不意味着各尺度一致有序。同样以石英玻璃为例，作为一种非晶材料，显然其硅原子与氧原子在空间中的排列是非等规的，也就意味着硅原子与氧原子在空间中不具备长程序。然而，这并不意味在石英玻璃这种非晶材料中不存在短程与中程的有序性，只不过，其短程与中程有序的结构单元尺度不同，短程有序上可能仅是数个Si-O-Si间距的有序分布，中程有序可能是存在一定长度的{-[SiO2]-O-[SiO2]-}n的硅氧链，但在它们自己的尺度上，有序度应依旧表现一致。也就是说，短程有序的结构单元表现出的均为短程有序，中程有序的结构单元表现出的也均为中程有序，同尺度上的结构基元有序性应当一致，但各尺度的有序性可以各自不同。