原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zagorac D, Fonović M, Matović B, et al. Calcium zinc oxysulfide: Newfound polytypes for potential optoelectronic applications. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221329  

DOI：10.26599/JAC.2026.9221329

ResearchGate：Calcium zinc oxysulfide: Newfound polytypes for potential optoelectronic applications

1. 摘要

CaZnOS因其层状结构、优异性能、出色的掺杂能力以及结构-性能关系而引起了显著的科研兴趣。该化合物已通过高温实验合成，并采用X射线粉末衍射（XRPD）进行了表征。CaZnOS的晶体结构呈现非中心对称的六方对称性，空间群为P63mc。本研究探究了可能的CaZnOS多型体谱系，预测了不同于先前提出或观察到的结构构型，涵盖了块体晶体形式、纳米结构或基于结的架构。所有计算均采用第一性原理，利用密度泛函理论（DFT）及五种不同的泛函（LDA−PZ、GGA−PBE、B3LYP、PBE0和HSE06）进行。采用最新开发的算法进行结构预测，并对预测得到的CaZnOS多型体的稳定性、电子性质和振动性质进行了研究。因此，我们已识别出众多潜在的稳定和亚稳定CaZnOS多型体，为合成具有改进性能的创新材料开辟了新的可能性。

2. 研究背景

CaZnOS是一种非中心对称的压电半导体，因其高效的机械发光而引起了显著的科研兴趣。它是一种宽带隙半导体，对可见光透明，并且是多种掺杂剂的优良基质。这类材料非常令人振奋，是从基础研究到技术应用等各类研究的目标对象。

3. 文章亮点

本研究通过高温实验合成了CaZnOS化合物，并采用XRPD对其进行了表征；其晶体结构为六方多型体。此外，完成了对可能的CaZnOS多型体的结构预测，识别出文献中未曾报道的结构构型。对这些预测的CaZnOS多型体的稳定性、电子性质和振动性质进行了探索，为未来的合成（尤其是作为异质结构）开辟了新可能性。该工作为基础研究和技术应用之间新型CaZnOS多型体的结构-性能关系提供了新见解。我们相信这些结果将促进对CaZnOS的基础理解，并为未来的实验和理论研究提供有价值的基石。

4. 研究结果与结论

本研究采用结合实验与理论方法的多学科途径对CaZnOS化合物进行了研究，该策略在先前研究中已被证明有效。CaZnOS通过在1000°C惰性氩气气氛下的固相反应合成。通过XRPD对CaZnOS的晶体多型结构进行了表征，其呈现六方空间群P6₃mc（第186号）。利用近期开发的PCAE和KOVIN算法，生成了包含2H、4H、8H和12R多型体及其变体的新CaZnOS多型体结构预测，产生了先前未见报道的新型结构排列。

图1. 预测的4H多型体：a) 粉末衍射图谱；b) 晶体结构可视化。锌原子以灰色表示，钙以蓝色表示，氧以红色表示，硫以黄色表示。

采用DFT及五种泛函（LDA−PZ、GGA−PBE、B3LYP、PBE0和HSE06）进行了从头计算。对所有预测和计算的结构进行了完全结构弛豫。在比较计算结构数据与实验观察到的CaZnOS结构类型时，混合泛函HSE06的一致性最佳。因此，为了研究结构的动力学和热力学稳定性，使用HSE06泛函计算了E(V)曲线和声子能带结构。此外，针对每种多型体及其若干可能的变体，计算了光学带隙大小及相应的能带结构。最后，利用五种不同泛函对最稳定且相关的多型体结构进行了结构-性能关系研究。

图2. 计算得到的CaZnOS中最相关预测多型体结构的E(V)曲线。计算采用混合HSE06泛函进行。

通过分析结构-性能关系，我们发现了CaZnOS材料的若干关键特征：可能导致对称性降低和/或相变的结构形变，这反过来又影响晶胞尺寸和计算的带隙。本研究展示了在特定的CaZnOS层状多型结构内存在各种潜在稳定和亚稳定的CaZnOS多型体，为具有特定光电和发光应用方向的合成开辟了新可能性。

图3. 计算得到的CaZnOS中最相关多型体结构的带隙大小。

当前计算采用GGA-PBE、LDA-PZ、混合HSE06、B3LYP和PBE0泛函进行，并与先前可获得的实验和理论数据进行了比较。

5. 作者及研究团队介绍

中心背景（CEXTREME LAB）：

“极端条件应用材料合成、加工与表征中心”（Center for Synthesis, Processing and Characterization of Materials for Application in Extreme Conditions，简称 CEXTREME LAB）卓越中心设立于贝尔格莱德大学“温查”核科学研究所（Vinča Institute of Nuclear Sciences）内，于 2015 年首次获得官方认证。作为该国最大研究机构中首个正式获得认证的卓越中心，CEXTREME LAB 汇聚了来自材料科学、晶体学、冶金学、化学工程、电气工程、机械工程、理论化学、矿物学及物理化学等不同专业领域的专家团队，以有效应对现代跨学科研究的挑战。中心的科研活动涵盖基础科学（化学、物理、生物学）以及应用研究与工程。为高效应对当前公认的现代研究、工业及生态挑战，并在基础、创新和应用科学领域开展研究活动，CEXTREME LAB 的研究工作按七个专业实验室进行组织。

团队背景（L‑TIM 实验室）：

材料理论探索实验室（Laboratory for Theoretical Investigations of Materials，L‑TIM）是 CEXTREME LAB 下属的科研团队之一，专注于先进材料理论探索，并与实验紧密结合，为新型功能材料的设计与合成提供理论基础。

Dejan Zagorac博士，塞尔维亚贝尔格莱德大学（University of Belgrade）

个人主页: https://el-tim.edu.rs/dr-rer-nat-dejan-zagorac/ 和https://cextremelab.edu.rs/en/dr-rer-nat-dejan-zagorac/

研究方向：新材料理论探索、数据挖掘与数据库、新化合物结构预测、材料性质理论研究。重点研究领域为适用于极端条件的先进材料理论建模。

Email: dzagorac@vin.bg.ac.rs

ORCID: 0000-0002-3102-852x

Matej Fonović博士，克罗地亚共和国里耶卡大学（University of Rijeka）

个人主页: https://www.imprs-cms.mpg.de/person/31192/10200 and https://riteh.uniri.hr/osoba/matej-fonovic/ 研究方向：材料工程 Email: matej.fonovic@riteh.uniri.hr ORCID: 0000-0001-7334-7089

Branko Matović教授，塞尔维亚贝尔格莱德大学

个人主页: https://cextremelab.edu.rs/en/dr-rer-nat-branko-matovic/

研究方向：研究方向包括先进陶瓷、超高温陶瓷、高熵材料、纳米结构氧化物粉末、能源应用固溶体、非氧化物陶瓷合成、烧结机理、相变、相平衡，以及极端温度和压力条件下的材料加工。

Email: mato@vin.bg.ac.rs ORCID: 0000-0001-9202-2386

Jelena Zagorac博士，塞尔维亚贝尔格莱德大学

个人主页: https://cextremelab.edu.rs/en/dr-jelena-zagorac/

研究方向：晶体结构精修、能量景观全局搜索、从头计算、电子与力学性能

Email: jelena@vin.bg.ac.rs

ORCID: 0000-0001-5012-6136

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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