辐射研究与辐射工艺学报
2024, 42(1): 010206
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210094
2 北方夜视技术股份有限公司,江苏 南京 211106
通过掺杂Rb有助于改善碱锑化合物光电阴极的光谱响应并降低热发射。为了从理论上研究K-Cs-Sb光电阴极材料中掺Rb的作用机理,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,分别建立了K2CsSb、K2Cs0.75Rb0.25Sb、K2Cs0.5Rb0.5Sb、K2Cs0.25Rb0.75Sb、K2RbSb 5种不同Cs/Rb比例(原子数分数之比)的K-Cs-Rb-Sb体模型以及相应的(111)表面模型,计算了其电子结构与光学性质。计算结果表明,对于不同Cs/Rb比例的K-Cs-Rb-Sb体模型,Rb掺杂对其光学性质的影响甚微。随着Rb/Cs比例的增加,体模型的形成能和形成焓以及表面模型的表面能变低,说明K-Cs-Rb-Sb化合物容易形成且稳定。此外,与传统的K2CsSb相比,K2Cs0.25Rb0.75Sb的功函数更大,电导率更大,同时又具有最小的禁带宽度和离化能,因此,Cs/Rb比例为1∶3的K-Cs-Rb-Sb阴极适合作为量子效率高、暗电流低且导电性好的光电发射材料。
材料 K-Cs-Sb光电阴极 Rb掺杂 光电性质 第一性原理
1 1.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 201899
2 2.中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中, 密度泛函理论计算发挥着重要作用。传统的半局域泛函(如PBE)虽然能够得到与实验接近的禁带宽度, 但是已有研究表明其不能准确描述材料的带边位置。采用更准确的杂化泛函, 结合自旋轨道耦合(SOC)效应与充分的结构优化开展缺陷研究十分必要。可以选择两种杂化泛函, 即屏蔽的杂化泛函HSE和非屏蔽的杂化泛函PBE0。本研究以正交相CsPbI3为例, 系统比较了两种方法在缺陷性质计算上的差异。计算结果表明, 对于体相性质, 两种杂化泛函并无明显的差别。但是, 对于缺陷性质, 两种泛函出现定性的差别。HSE计算中预测的浅能级缺陷, 在PBE0计算中大部分变为深能级缺陷, 且缺陷转变能级和Kohn-Sham能级均出现定性差别。上述差别的本质在于, Hartree-Fock交换势具有长程作用特征, 因而普通的杂化泛函如PBE0在计算量允许的超胞尺寸上无法得到收敛的结果, 而HSE对上述交换势具有屏蔽作用, 可采用相对小尺寸的超胞得到收敛的缺陷能级。本研究结果表明, 尽管HSE杂化泛函需要较大的Hartree-Fock混合参数(约0.43), 其仍是准确计算卤族钙钛矿缺陷性质的有效方法。
钙钛矿 本征缺陷 CsPbI3 杂化泛函 第一性原理计算 perovskites intrinsic defect CsPbI3 hybrid functional first-principles calculation
Author Affiliations
Abstract
1 School of Science, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
2 Institute for Advanced Sciences, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
3 School of Computer Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710129, China
4 Advanced Research Institute of Multidisciplinary Science, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
5 Institute of High Performance Computing, A*STAR, 138632, Singapore
Hydrostatic pressure provides an efficient way to tune and optimize the properties of solid materials without changing their composition. In this work, we investigate the electronic, optical, and mechanical properties of antiperovskite X3NP (X2+ = Ca, Mg) upon compression by first-principles calculations. Our results reveal that the system is anisotropic, and the lattice constant a of X3NP exhibits the fastest rate of decrease upon compression among the three directions, which is different from the typical Pnma phase of halide and chalcogenide perovskites. Meanwhile, Ca3NP has higher compressibility than Mg3NP due to its small bulk modulus. The electronic and optical properties of Mg3NP show small fluctuations upon compression, but those of Ca3NP are more sensitive to pressure due to its higher compressibility and lower unoccupied 3d orbital energy. For example, the band gap, lattice dielectric constant, and exciton binding energy of Ca3NP decrease rapidly as the pressure increases. In addition, the increase in pressure significantly improves the optical absorption and theoretical conversion efficiency of Ca3NP. Finally, the mechanical properties of X3NP are also increased upon compression due to the reduction in bond length, while inducing a brittle-to-ductile transition. Our research provides theoretical guidance and insights for future experimental tuning of the physical properties of antiperovskite semiconductors by pressure.
antiperovskite hydrostatic pressure physical properties first-principles calculations Journal of Semiconductors
2023, 44(10): 102101
1 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室,燕山大学材料科学与工程学院,河北 秦皇岛 066004
2 威海中玻新材料技术研发有限公司,山东 威海264200
3 唐山学院,河北 唐山 063000
构建宽窄带隙同型异质结构的双层薄膜是提高透明导电薄膜光电性能的新思路。采用基于密度泛函的第一性原理,对本征和掺杂SnO2/SnSe2的电子结构、光学性质、载流子迁移率、电荷分布、能带排列进行计算。结果表明:本征和掺杂SnO2/SnSe2电子结构内部存在的电势差会使体系内部的电子向着界面处或SnSe2处转移,处于界面处的电子会在界面间隙内形成二维电子气并在界面处高速移动,从而提高了载流子的迁移率,而处于SnSe2处的电子由于没有杂质离子散射的影响迁移率也相应提高,4种不同掺杂类型异质结构的载流子迁移率分别为772.82、5 286.04、2 656.90 m2/(S·V)和17 724.60 m2/(S·V),光学透过率在80%以上。
透明导电薄膜 异质结构 第一性原理 载流子迁移率 transparent conductive oxide thin films heterostructures first principles carrier mobility
1 吉林师范大学 物理学院,吉林 四平 136000
2 吉林师范大学 功能材料物理与化学教育部重点实验室,吉林 长春 130022
SiO2通常以三维晶体或无定形结构存在,限制了其在新技术如新一代集成电路中的应用,因此二维SiO2的研究引起了越来越多的关注。本文通过删除三维层状CaAl2Si2O8结构中的Ca和Al原子,直接构建出新的二维SiO2构型。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,结构优化获得的新型2D SiO2具有P-62m对称性,群号189。通过结合能、弹性系数、分子动力学模拟和声子谱计算,发现新型2D SiO2具有高机械稳定性、热力学稳定性和动力学稳定性。电子性质和光学性质计算发现,2D SiO2是带隙为6.08 eV绝缘体,且具有良好的光透射率和光导率。此外,通过研究面内双轴应变对2D SiO2电子和光学性质的影响,发现2D SiO2的带隙和介电函数受面内拉伸应变的影响较压缩应变略大,不过其整体光学性质受应变影响不大,保证了其在实际应用中电子性质和光学性质的稳定性。
二维SiO2 电子性质 光学性质 第一性原理计算 two-dimensional SiO2 electronic properties optical properties first-principles calculations
1 西安邮电大学 理学院,西安 710121
2 西北大学 光子学与光子技术研究所,西安 710069
利用第一性原理结合HSE06杂化泛函理论研究了ZrSSe、HfSSe及相关异质结的电子和介电特性。单层ZrSSe和HfSSe的电子结构计算结果表明,其为间接带隙半导体,带隙分别为1.196 0 eV和1.040 2 eV。观察发现,能带结构出现了明显的带嵌套(Band nesting)现象,说明ZrSSe和HfSSe在光照条件下能够产生强烈的光与物质相互作用。并且,材料由S原子与Se原子p轨道电子跃迁产生的介电特性在红外和可见光范围表现出优异的吸收性能。此外,对结构的局部平面平均态密度进行分析表明,基于ZrSSe和HfSSe可以形成三种不同界面特征的异质结,且与带边界相关的电荷密度分布在两种材料上。对ZrSSe/HfSSe异质结的光吸收谱计算发现,其吸收峰主要出现在红外和可见光范围内,其峰值吸收系数最高可达1.26×106 cm-1。对异质结的能量损失谱计算可知,ZrSSe/HfSSe异质结在可见光范围内具有较高的吸收率。研究揭示了两面神结构材料及其异质结的光物理性质,推动了这些材料在新型光电器件中的应用。
两面神结构材料 异质结 第一性原理 HSE06杂化泛函 Janus structural materials Heterojunctions First principles Hybrid functionals HSE06
1 中国科学技术大学 中国科学院微观磁共振实验室,安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学物理学院 物理系,安徽 合肥 230026
过渡金属(TM)激活离子由于在近红外发光、红外激光、荧光转化的白光LED、荧光温度计、余辉发光等方面的优异性能和应用潜力而被广泛研究。TM离子在固体中可占据八配位、六配位、四配位等多种配位格位,可呈现多种价态且光跃迁性质强烈依赖于晶体环境,因此TM离子在固体中的发光中心确定、发光机理理解和性能预测存在困难。本文通过第一性原理计算探索固体中TM离子的热力学和光跃迁性质。内容包括:通过对各种化学氛围下形成能的计算结果,分析基质的本征缺陷以及TM离子占位、价态、分布和浓度;理解不同晶体环境中TM离子的各激发态和能级结构;构建位形坐标图分析激发、弛豫、发射及猝灭过程;提出通过合成氛围、共存条件和离子共掺等方式调控或优化TM离子的占位、价态和光跃迁的方案。本文以若干具有代表性的体系为依托,展示了如何运用第一性原理计算手段进行掺TM离子固体发光材料的研究。具体所涉及的代表体系和研究内容为:Ti∶Al2O3激光晶体中红外残余吸收机理及其减弱或尽可能消除的方法,典型尖晶石和石榴石基质中Mn2+、Mn3+、Mn4+的占位和激发、弛豫、发射等光跃迁性质,固溶氧化物基质中铬离子的占位、价态及相应的光跃迁性质等,表明第一性原理计算可用于发光材料的机理研究、理性设计和优化。
过渡金属离子 光跃迁 第一性原理计算 transition metal ions optical transitions first-principles calculation