“非整比化合物”概念辨析
王晓明, 焦桓, 荆西平

What Is Nonstoichiometric Compound?
Xiaoming Wang, Huan Jiao, Xiping Jing
表1 各种非整比化合物的组成、存在缺陷及形成机理
序号类别组成形成机理缺陷说明文献
1非本征填隙
原子缺陷类
PdHx
(0 ≤ x ≤ 0.7)
γ-FeCx
(0 ≤ x ≤ 0.1)
H2 = 2Hi×
C = Ci×
Hi×
Ci×
Pd为密堆积结构,H进入Pd的八面体空隙中;吸氢材料
C进入Fe构筑的填隙位置;1100 ℃下,x ≈ 0.1
[6]
2原子取代
缺陷类
Fe1?xZnx
(0 ≤ x ≤ 0.42)
Hf1?xScx
(0 ≤ x ≤ 1.0)
Zn = ZnFe×
富Hf固溶体:Sc = ScHf×
富Sc固溶体:Hf = HfSc×
ZnFe×
ScHf×
HfSc×
Zn (r = 0.133 nm)和Fe (r = 0.124 nm)原子半径接近。Zn占据Fe的格位,782 ℃下溶解度达x = 0.42
Sc (r = 0.165 nm)和Hf (r = 0.160 nm)原子半径接近;两者可以互相取代
[11]
3本征填隙阳离子缺陷Li2+4xTi1?xO3
(0 ≤ x ≤ 0.08)
2Li2O = LiTi[O]"' +
3Lii[T]? + 2OO×
Li"'Ti[O],Lii[T]?Li+ (r = 0.076 nm)和Ti4+ (r = 0.0605 nm)价态差别较大,但半径接近,这里,4个Li+可以取代1个Ti4+,1个占据八面体空隙[O],其余3个占据四面体空隙[T][6, 12]
4本征填隙阴离子缺陷类La2CuO4+x
(0 ≤ x ≤ 0.09)
CuCu× +1/2O2 = 2CuCu? + Oi"Oi",CuCu?Cu3+ (CuCu?)含量2x。形成Oi"需要铜的变价缺陷CuCu?进行电荷补偿。含有Oi"的材料是超导体,超导转变温度35 K[13]
5本征阳离子
空位缺陷类
Mn1?xO
(0 ≤ x ≤ 0.18)
Fe1?xO
(0.045 ≤ x ≤ 0.20)
2MM× + 1/2O2 = 2Mi[T]??? +
3VM[O]" + OO×
(M = Mn, Fe)
Mi[T]???,VM[O]"
(M = Mn, Fe)
O2将M2+氧化为M3+,O2?进入晶格形成八面体格位的阳离子空位VM[O]",M3+进入四面体格位形成填隙Mi[T]??? (含量为2x)。Mn1?xO中固溶体组成可以从x = 0开始;而Fe1-xO中x ≠ 0[9]
6本征阴离子
空位缺陷类
Y2Ti2O7?x
(0 ≤ x → 1.0)
OO× + TiTi× = VO? + TiTi' +1/2O2VO?,TiTi'低氧分压或还原性气氛下,O2?会溢出,在晶格中形成VO×。VO×部分电离成VO?,将Ti4+还原成Ti3+ (TiTi')。合适的还原条件可使x值接近1。存在氧空位的物相颜色变深,电导率增加[14]
7非本征填隙
阳离子缺陷类
NaxWO3
(0 ≤ x ≤ 1.0)
LixTiS2
(0 ≤ x ≤ 1.0)
Na + Ww× = Nai? + Ww'
Li + TiTi× = Lii? + TiTi'
Nai?,Ww'
Lii?,TiTi'
WO3被Na适度地还原后,颜色由浅黄变蓝色,电导率提高。W5+ (Ww')含量为x
TiS2是层状结构,控制反应速度可以使Li+进入层间,这一过程是锂离子电池负极放电过程。Ti3+ (TiTi')含量为x
[6]
8阳离子取代
缺陷类
等价取代:
(Ca1?xSrx)5(PO4)3Cl
(0 ≤ x ≤ 1.0)
富Ca固溶体:
SrO = SrCa× + OO×
富Sr固溶体:
CaO = CaSr× + OO×
SrCa×
CaSr×
M5(PO4)3Cl [M = Ca2+ (r = 0.10 nm),Sr2+ (r = 0.118 nm),Ba2+ (r = 1.35 nm)]具有磷灰石结构。Ca相和Sr相及Sr相和Ba相形成全范围固溶体,Ca相和Ba相只形成部分固溶体。在该体系中掺入Eu2+可以获得蓝色或蓝绿色荧光,分别用于三基色或高显色荧光灯中[15]
高价取代:
Ba6-3xNd8+2xTi18O54 (0.25 ≤ x ≤ 0.75)
Nd2O3 = 2NdBa? + VBa" + 3OO×NdBa?,VBa"
阳离子空位补偿:2个Nd3+取代3个Ba2+,生成1个VBa"补偿价态不平衡。固溶体范围不能伸展到x = 0。重要的电介质材料[16]
Ca1?xYxF2+x
(0 ≤ x ≤ 0.38)
YF3 = YCa? + Fi'YCa?,Fi'填隙阴离子补偿:Y3+取代Ca2+,增加Fi'补偿价态不平衡[6]
Sr1?xNdxCuO2 (0 ≤ x ≮ 0.16)2Nd2O3 + 4CuO = 4NdSr? + 4CuCu' + 8OO× + O2NdSr?,CuCu'阳离子变价(降价)补偿:Nd3+取代Sr2+,Cu2+降价为Cu+ (CuCu',含量约为x)补偿价态不平衡。还原气氛处理。含有CuCu'的物相是超导材料,转变温度约为40 K[17]
低价取代:
Zr1?xYxO2?x/2
(0 ≤ x ≤ 0.70)
Y2O3 = 2YZr' + VO?? + 3OO×YZr',VO??阴离子空位补偿:Y3+占据Zr4+格位,产生1个VO??补偿价态不平衡。掺Y量x ≈ 0.05时,正交晶系,增韧陶瓷;掺杂量x > 0.15,氧离子导体[18]
Li1+xAl1+xSi2?xO8
(0 ≤ x ≤ 0.14)
LiAlO2 = Lii? + AlSi' + 2OO×AlSi',Lii?本征填隙阳离子补偿:Al3+取代Si4+,占据其格位,引入Lii?补偿价态不平衡[6]
La2?xCaxCuO4
(0 ≤ x ≮ 0.30)
CaO + CuO + 1/4O2 ? CaLa′ + CuCu? + 2.5OO×CaLa′,CuCu?阳离子变价(升价)补偿:Ca2+取代La3+,在氧化气氛中处理,Cu2+升价为Cu3+ (CuCu?,含量为x)。超导转变温度~20 K[17]
9阴离子取代
缺陷类
等价取代:
BaFCl1?xBrx
(0.0 ≤ x ≤ 1.0)
不等价取代:
Y4Al2?2xSi2xO9?2xN2x (0.0 ≤ x ≤ 0.4)
富Cl固溶体:
BaBr2 = BaBa× + 2BrCl×
富Br固溶体:
BaCl2 = BaBa× + 2ClBr×
Si2ON2 = 2NO' + 2SiAl? + OO×
BrCl×
ClBr×
NO',OO×
BaFX [X = Cl (r = 0.181 nm), Br (r = 0.196 nm), Ba (r = 0.220 nm)]具有氟氯铅矿结构。Cl相和Br相及Br相和I相形成全范围固溶体,Cl相和I相形成很窄的部分固溶体。在该体系中掺入Eu2+发射近紫外到紫色荧光,用于X射线增感屏或存储屏中
在N3?取代O2?时,Si4+同时取代Al3+进行电荷补偿
[19]
[20]