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)境問題日益嚴重的今天受到廣泛關注。盡管鈣鈦礦擁有優(yōu)良的光電性質，其服役時的退化相變問題嚴重制約了商業(yè)化的發(fā)展。尋找穩(wěn)定且具有優(yōu)良光伏性質的潛在鈣鈦礦多型體，是解決退化相變問題的其中一個方向。另一方面，通過元素取代的方法調控鈣鈦礦的相變動力學以抑制相變也是一個可能的方法，但必須同時考慮元素取代對能帶結構的影響。在如此背景下，本課題以CsPbI3為例，通過結構搜索尋找穩(wěn)定的潛在鈣鈦礦多型體并計算其能帶結構，研究多型體的結構特征與帶隙大小之間關系。進一步通過鹵素取代調控鈣鈦礦退化相變的動力學，并研究取代對帶隙的影響。

0 2成果簡介

搜索了CsPbI3的勢能面并挑選了其中能量最低的16個結構作為鈣鈦礦多型體研究對象。對16個多型體進行幾何結構優(yōu)化，優(yōu)化后分析其結構特征，特別是涉及共角連接的碘原子比例。使用鴻之微DS-PAW軟件計算優(yōu)化后的16個結構模型的能帶與態(tài)密度，對比不同結構的帶隙值大小。結合結構特征分析與能帶結算結果，分析鈣鈦礦多型體的結構-帶隙關系，結果表明：共角連接的比例越高，多型體的帶隙越小。進一步構建了鹵素取代模型，研究其能帶結構和穩(wěn)定性，結果顯示：鹵素體系的帶隙值順序為I < Br < Cl，而穩(wěn)定性順序則相反。研究結果表明：通過調節(jié)結構內共角連接的比例可調控材料鈣鈦礦帶隙值的大??；通過鹵素取代可提高穩(wěn)定性，但需要同時注意對帶隙值的不利影響。

0 3圖文導讀

圖1 16個鈣鈦礦多型體的能帶結構及DOS計算結果

圖2 (a)16個鈣鈦礦多型體的帶隙值對比圖。藍色柱代表間接帶隙，紅色柱代表直接帶隙。(b)帶隙值與共角連接比例的關系。（η = Nc/Ntot，其中Nc表示模型內涉及共角連接的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構及DOS計算結果。(d)鹵素取代模型帶隙值對比

0 4小結

本文使用鴻之微DS-PAW軟件，計算了16個潛在鈣鈦礦多型體的能帶結構與態(tài)密度，對比了其帶隙值，結合結構特征的分析結果，獲得了鈣鈦礦多型體的結構-帶隙關系：共角連接的比例越高，多型體的帶隙越小。進一步構建了鈣鈦礦鹵素取代模型，研究其能帶結構和穩(wěn)定性，結果顯示：鹵素體系的帶隙值順序為I < Br < Cl，而穩(wěn)定性順序則相反。本文的研究結果表明：通過調節(jié)結構內共角連接的比例可調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，但需要同時注意對帶隙值的不利影響。

審核編輯：劉清