我院顾铭强副教授在Adv. Funct. Mater.上发表关于钙铁石材料中多价态共存现象相关工作

       钙铁石结构是钙钛矿结构拓扑还原后的一种结构，其中含有八面体和四面体两种配位多面体，因此其中过渡金属元素的价态会发生变价及多价态共存的情况。一般的实验手段无法分辨材料中同一元素不同价态的情况，而共振非弹性X射线散射（RIXS）可以对此进行表征。RIXS是一种特殊的光学测量手段，它利用高能X射线（通常为软X射线或硬X射线）与材料相互作用，将深能级电子激发到导带，通过测量激发态电子从导带跃迁回价带的过程中辐射的光子能量，能够探测材料的能带结构。RIXS能谱可看作一种拓展的光谱测量手段，但其能谱不受普通光学跃迁的选择定则限制，因此能反映完整的态密度信息。

图  LCMO2.5、MnO、LaMnO3、CaMnO3的RIXS和XAS谱

       实验生长、测量与理论计算的团队首先通过实验合成与多尺度表征技术揭示了其从钙钛矿结构（LCMO₃）向钙铁石结构（LCMO2.5）的转变过程。通过X射线吸收光谱（XAS）和共振非弹性X射线散射（RIXS）技术，结合密度泛函理论（DFT）计算，研究进一步明确了Mn离子的混合价态分布：四面体配位位点全部为Mn²⁺，而八面体位点则包含Mn²⁺和Mn³⁺的共存。RIXS数据揭示了不同配位环境下Mn的轨道激发特征，例如八面体Mn³⁺因Jahn-Teller畸变引发的能级分裂，以及四面体Mn²⁺的局域化电子态。DFT计算量化了Jahn-Teller畸变、Hund耦合、库仑排斥与电子跳跃之间的竞争关系，阐明了这些因素对材料能带结构、绝缘性及各向异性电输运行为的协同调控机制。

       该研究首次将RIXS技术与多尺度理论模拟深度结合，系统解析了钙铁石锰氧化物中多价态（Mn²⁺/Mn³⁺）与复杂配位环境（八面体/四面体）对电子激发的微观影响。通过精确控制氧含量与应变，实现了从钙钛矿到钙铁石结构的可控拓扑还原，为设计强关联电子材料提供了新范式。此外，研究突破了传统双交换机制的解释框架，揭示了Mn²⁺/Mn³⁺共存通过超交换相互作用主导反铁磁序的物理机制，并证明了Jahn-Teller畸变在电子局域化中的核心作用。

       该工作以“Topotactic Reduction-Driven Crystal Field Excitations in Brownmillerite Manganite Thin Films”为题发表在Adv. Funct. Mater.杂志上。中山大学柔性电子学院顾铭强副教授、中科大合肥微尺度物质科学国家研究中心研究员金锋博士、美国布鲁克海文国家实验室科学家范诗宇博士是本研究的共同一作。该工作的合作单位还包括南方科技大学、安徽大学、中科院合肥强磁场实验室。