综述：稀土高熵氧化物：连接能源催化与光电技术创新

《Topics in Current Chemistry》：Rare-Earth High-Entropy Oxides: Bridging Energy Catalysis and Optoelectronic Innovation

稀土高熵氧化物（RE-HEOs）通过多稀土离子占据晶格亚晶格位形成强化学无序和晶格畸变，其独特的4f电子态、弱晶场耦合和可变氧化还原化学导致传统固态物理无法解释的物化特性。本文系统分析了RE-HEOs的熵稳定化热力学基础、焓-熵-动力学捕获的相互作用，以及化学无序对晶体结构、相稳定性和物化性能的影响机制，涵盖光电子性能（发光、上转换）、能量转换应用（电催化、SOFC）和理论计算方法（DFT+强关联修正、统计热力学、机器学习）的评估，最后提出熵稳定亚稳态、高无序4f系统能带理论适用性及构型熵调控电子-声子相互作用等核心开放问题。

　　

摘要

稀土高熵氧化物（RE-HEOs）是一类独特的熵稳定陶瓷，其中多个镧系阳离子占据相同的晶体子晶格，导致强烈的化学无序、晶格畸变和复杂的缺陷结构。与基于过渡金属的高熵氧化物不同，RE-HEOs受局域化的4f电子态、弱的晶场耦合以及可变的氧化还原化学性质的控制，从而产生出挑战传统固态物理描述的结构、电子、磁性和光学现象。本综述从物理学的角度分析了RE-HEOs，重点探讨了构型熵稳定的热力学基础、焓、熵与动力学陷阱之间的相互作用，以及严重化学无序对晶体结构和相稳定性的影响。我们研究了晶格畸变、氧空位无序和阳离子随机性如何改变声子谱、离子传输路径和电子结构，特别强调了局域化4f态、缺陷诱导的能隙级以及无序扩展的激发谱的作用。在统一的框架下，讨论了无序的光谱表现，包括晶场松弛、线宽增加、寿命改变和能量传递过程，这些现象将局部对称性破缺与宏观响应联系起来。此外，我们还讨论了RE-HEOs的光电性质，如来自4f内部跃迁的光致发光、上转换机制，以及无序对辐射寿命和量子效率的影响。RE-HEOs的应用领域涵盖了能量转换（电催化、固体氧化物燃料电池、热障涂层）和光电技术（荧光粉、闪烁体、光学测温、防伪）。同时，我们评估了理论和计算方法，包括具有强关联修正的密度泛函理论、统计热力学以及新兴的机器学习模型，强调了它们在捕捉多组分氧化物中无序驱动的物理现象方面的能力和当前局限性。最后，我们提出了凝聚态物理学中的关键未解决问题，包括熵稳定亚稳态的本质、高度无序的4f系统中能带理论描述的局限性，以及构型熵在调节电子-声子和缺陷相互作用中的作用。通过整合实验和理论见解，本综述确立了RE-HEOs作为探索超越传统晶体氧化物的无序主导固态物理学的平台。