鈣鈦礦鹵素取代及多型體的能帶研究

0 1引言

作為最有前景的光伏材料之一，金屬鹵化物鈣鈦礦在能源和環(huán)境問題日益嚴(yán)重的今天受到廣泛關(guān)注。盡管鈣鈦礦擁有優(yōu)良的光電性質(zhì)，其服役時(shí)的退化相變問題嚴(yán)重制約了商業(yè)化的發(fā)展。尋找穩(wěn)定且具有優(yōu)良光伏性質(zhì)的潛在鈣鈦礦多型體，是解決退化相變問題的其中一個(gè)方向。另一方面，通過元素取代的方法調(diào)控鈣鈦礦的相變動(dòng)力學(xué)以抑制相變也是一個(gè)可能的方法，但必須同時(shí)考慮元素取代對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響。在如此背景下，本課題以CsPbI3為例，通過結(jié)構(gòu)搜索尋找穩(wěn)定的潛在鈣鈦礦多型體并計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)，研究多型體的結(jié)構(gòu)特征與帶隙大小之間關(guān)系。進(jìn)一步通過鹵素取代調(diào)控鈣鈦礦退化相變的動(dòng)力學(xué)，并研究取代對(duì)帶隙的影響。

0 2成果簡(jiǎn)介

搜索了CsPbI3的勢(shì)能面并挑選了其中能量最低的16個(gè)結(jié)構(gòu)作為鈣鈦礦多型體研究對(duì)象。對(duì)16個(gè)多型體進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后分析其結(jié)構(gòu)特征，特別是涉及共角連接的碘原子比例。使用鴻之微DS-PAW軟件計(jì)算優(yōu)化后的16個(gè)結(jié)構(gòu)模型的能帶與態(tài)密度，對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的帶隙值大小。結(jié)合結(jié)構(gòu)特征分析與能帶結(jié)算結(jié)果，分析鈣鈦礦多型體的結(jié)構(gòu)-帶隙關(guān)系，結(jié)果表明：共角連接的比例越高，多型體的帶隙越小。進(jìn)一步構(gòu)建了鹵素取代模型，研究其能帶結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，結(jié)果顯示：鹵素體系的帶隙值順序?yàn)镮 < Br < Cl，而穩(wěn)定性順序則相反。研究結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)共角連接的比例可調(diào)控材料鈣鈦礦帶隙值的大小；通過鹵素取代可提高穩(wěn)定性，但需要同時(shí)注意對(duì)帶隙值的不利影響。

0 3圖文導(dǎo)讀

圖1 16個(gè)鈣鈦礦多型體的能帶結(jié)構(gòu)及DOS計(jì)算結(jié)果

圖2 (a)16個(gè)鈣鈦礦多型體的帶隙值對(duì)比圖。藍(lán)色柱代表間接帶隙，紅色柱代表直接帶隙。(b)帶隙值與共角連接比例的關(guān)系。（η = Nc/Ntot，其中Nc表示模型內(nèi)涉及共角連接的I離子總數(shù)，Ntot表示模型原子）

圖3 (a-c)鹵素取代模型的能帶結(jié)構(gòu)及DOS計(jì)算結(jié)果。(d)鹵素取代模型帶隙值對(duì)比

0 4小結(jié)

本文使用鴻之微DS-PAW軟件，計(jì)算了16個(gè)潛在鈣鈦礦多型體的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度，對(duì)比了其帶隙值，結(jié)合結(jié)構(gòu)特征的分析結(jié)果，獲得了鈣鈦礦多型體的結(jié)構(gòu)-帶隙關(guān)系：共角連接的比例越高，多型體的帶隙越小。進(jìn)一步構(gòu)建了鈣鈦礦鹵素取代模型，研究其能帶結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，結(jié)果顯示：鹵素體系的帶隙值順序?yàn)镮 < Br < Cl，而穩(wěn)定性順序則相反。本文的研究結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)共角連接的比例可調(diào)控材料鈣鈦礦帶隙值的大小；通過鹵素取代可提高穩(wěn)定性，但需要同時(shí)注意對(duì)帶隙值的不利影響。

審核編輯：劉清