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摘要：無(wú)機(jī)無(wú)毒金屬鹵化物鈣鈦礦在光電器件的商業(yè)化中占據(jù)主導(dǎo)地位。利用密度泛函理論進(jìn)行了第一性原理模擬，研究了無(wú)毒的CsSncl3金屬鹵化物在40GPa以下各種靜水壓力下的結(jié)構(gòu)、光學(xué)、電子和力學(xué)性能。光學(xué)函數(shù)分析表明，隨著壓力的增強(qiáng)，CsSncl3鈣鈦礦的吸收邊明顯向低能區(qū)(紅移)偏移。吸收率、電導(dǎo)率和介電常數(shù)也隨壓力的增大而增大。力學(xué)性能研究表明，CsSncl3鈣鈦礦具有良好的力學(xué)穩(wěn)定性和延展性，且延展性隨壓力的增大而增大。電子性質(zhì)研究表明，CsSncl3在高壓下發(fā)生半導(dǎo)體向金屬轉(zhuǎn)變。在靜水壓力下所有這些變化背后的物理學(xué)已經(jīng)在現(xiàn)有的科學(xué)理論中進(jìn)行了詳細(xì)的分析和解釋。

(資料圖片)

引言：近年來(lái)，著名的amx3分子式(其中，A=陽(yáng)離子，M=金屬離子，X=鹵素陰離子)的金屬鹵化物鈣鈦礦材料因其顯著的太陽(yáng)能電池性能和卓越的光電特性而引起了研究者的廣泛關(guān)注，這些特性包括吸收光譜范圍廣，光學(xué)吸收增強(qiáng)，禁帶可調(diào)，電荷擴(kuò)散延長(zhǎng)，載流子遷移率高，載流子有效質(zhì)量低。

本研究利用密度泛函理論(DFT)詳細(xì)研究了各種靜水壓力對(duì)CsSncl3金屬鹵化物結(jié)構(gòu)、電子、光學(xué)和機(jī)械性能的影響，并將其應(yīng)用于高精度太陽(yáng)能電池和其他可能的光電器件。

計(jì)算細(xì)節(jié)

利用CASTEP(Cambridge Serial Total Energy Package)模塊中存在的基于DFT的平面波贗勢(shì)技術(shù)進(jìn)行了從頭算。在Perdew-Berke-Ernzerhof(PBE)的簡(jiǎn)化形式中插入了GGA(廣義梯度近似)來(lái)計(jì)算交換相關(guān)能。利用Vanderbilt模型的超軟贗勢(shì)對(duì)電子-離子相互作用進(jìn)行了處理。彈性常數(shù)的計(jì)算采用CASTEP中插入的有限應(yīng)變理論。

結(jié)果與討論

用VESTA43繪制了CsSnCl3的立方晶體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。晶體的單位胞由五個(gè)原子和一個(gè)公式單位組成。

施加靜水壓力對(duì)晶格參數(shù)和單元體積的影響如圖2a、b所示。從圖2中可以看出，隨著壓力的增加，晶格參數(shù)和胞體體積呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，表明原子間的空間在減小。原子間的排斥作用增強(qiáng)，導(dǎo)致壓力升高時(shí)晶體壓縮硬度增大。

分析的CsSncl3鈣鈦礦的光學(xué)吸收分布如圖3所示。光吸收系數(shù)是了解材料吸收光能能力的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)，因此提供了關(guān)于材料的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率的重要信息，這是在性能突出的太陽(yáng)能電池和其他光伏設(shè)備中實(shí)際應(yīng)用材料所必需的。從圖3a可以看出，隨著壓力的增強(qiáng)，CsSncl3金屬鹵化物的吸收邊向低能區(qū)(紅移)方向移動(dòng)。

圖4a在光子能量為30eV時(shí)，幾種靜水壓力下的電導(dǎo)率譜(真實(shí)部分)。圖4b顯示了CsSncl3金屬鹵化物在不同施加壓力下光子能量高達(dá)40eV時(shí)的反射率譜。

關(guān)鍵電子性質(zhì)(能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度)的分析對(duì)于深入理解光學(xué)功能是非常重要的。不同壓力下CsSnCl3的能帶結(jié)構(gòu)如圖5所示。

而在6GPa、8GPa和10GPa壓力下，費(fèi)米能級(jí)的TDOS值可以忽略不計(jì)，如圖6所示。

而TDOS值在20GPa時(shí)非零且顯著，揭示了CsSncl3金屬鹵化物在此壓力下發(fā)生了半導(dǎo)體-金屬相變。為了進(jìn)一步清晰地理解，我們?cè)趫D7中展示了接近費(fèi)米能級(jí)的TDOS值。

v值隨著壓力的增加而增大，預(yù)示著施加外部壓力可以進(jìn)一步提高延性。圖8a、B分別顯示了CsSnCl3鈣鈦礦的B/G和v隨壓力的變化，以便進(jìn)一步清楚地了解鈣鈦礦的延展性行為。從圖8中可以明顯看出，CsSnCl3的延展性隨著壓力的增加而增加，因此壓力可以成為制造高延性的CsSnCl3器件的有效方法。

總 結(jié)

簡(jiǎn)而言之，利用基于dft的CASTEP模塊，研究了靜水壓力下立方CsSncl3金屬鹵化物的結(jié)構(gòu)、彈性、光學(xué)和電子性能。CsSncl3的晶格常數(shù)和胞體體積隨壓力的增大而減小。彈性模量隨壓力增大而增大，有利于CsSncl3的硬度。泊松比和普氏比的研究表明，CsSncl3材料的塑性親和性隨壓力的增加而增加，可以有效地應(yīng)用于需要高延性的實(shí)際器件中。帶隙隨壓力的增大而減小，因此在高壓下CsSncl3發(fā)生半導(dǎo)體向金屬轉(zhuǎn)變。隨著壓力的增強(qiáng)，可見(jiàn)區(qū)域的光學(xué)吸收和電導(dǎo)率顯著提高，表明誘導(dǎo)壓力可顯著提高CsSncl3鈣鈦礦太陽(yáng)能電池和其他光電器件的性能。本研究提供的方法將對(duì)其他類型鈣鈦礦的性能研究以及其他類型材料的光電器件建模具有重要意義。

https://doi.org/10.1038/s41598-020-71223-3

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