A2BⅠBⅢX6和A2BⅣX6型卤化物双钙钛矿的第一性原理研究

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具有良好机械稳定性、热力学稳定性、光学吸收行为和光电导率的A2BⅠBⅢX6和A2BⅣX6卤化物双钙钛矿可用于X射线光电导体或太阳能电池中的吸收层。实验上有关Cs2Au2X6(X=Cl,Br,I)、K2TeX6(X=Cl,Br,I)或Rb2BX6(B=Ti,Se,Pd;X=F,Cl,Br,I)双钙钛矿结构和物理性质的研究比较丰富,但对其结构和性质的理论研究少见报道。因此本文采用密度泛函理论第一性原理方法分析了空间群、卤族原子或B位原子对Cs2Au2X6(X=F,Cl,Br,I)、K2TeX6(X=Cl,Br,I)和Rb2BX6(B=Ti,Se,Pd;X=F,Cl,Br,I)双钙钛矿的晶体结构和物理性质的影响。Cs2Au2X6(X=F,Cl,Br,I)双钙钛矿是四方晶系晶体,Au-X和Cs-X的键长随X位原子序数的增加而增加。Au(2a)和X(4e)以及Au(2b)和X(8h)原子形成离子键为主的Au(2a)-X(4e)和Au(2b)-X(8h)键,而Cs(4d)和X(4e)以及Cs(4d)和X(8h)原子形成纯离子键。除了Cs2Au2F6处于脆性和韧性的临界点外,Cs2Au2X6(X=Cl,Br,I)双钙钛矿均呈现为韧性。Cs2Au2X6(X=F,Cl,Br,I)是直接带隙半导体,且依次为2.410、2.008、1.609和1.371 e V。Cs2Au2X6双钙钛矿价带顶主要由X-p和Au-5d轨道贡献,导带底主要由X(8h)-p和Au-5d轨道贡献,而远离费米面的导带主要由X-s、Au-6s/6p和Cs-6s/6p轨道主导。,Au X2--和,Au X4--簇决定着Cs2Au2X6双钙钛矿的电子结构和光学性质。Cs2Au2X6(X=F,Cl,Br,I)双钙钛矿的光学特征峰随X位原子序数的增加向低能区移动且其特征峰的强度也增加。空间群或卤族原子对K2TeX6(X=Cl,Br,I)双钙钛矿物理性质的研究表明,K2TeX6双钙钛矿中的X和K原子形成X-K离子键,而X和Te原子形成离子键主导的X-Te键。三种不同晶系的K2TeBr6双钙钛矿中Br-Te键长没有大的差异。但是单斜晶系K2TeX6(X=Cl,Br,I)双钙钛矿中X-Te的键长随X位原子序数的增加而增加。K2TeX6双钙钛矿的价带顶主要由X-p(Cl-3p、Br-4p或I-5p)和Te-5s轨道贡献,而导带底由Te-6p轨道主导。K2TeX6双钙钛矿表现出各向异性的载流子有效质量和迁移率,随着X位原子序数的增加,电子和空穴的有效质量逐渐降低而其迁移率增加。B位和X位原子主导着Rb2BCl6(B=Ti,Se,Pd)和Rb2PdX6(X=F,Cl,Br,I)双钙钛矿的结构和物理性质。Rb2BCl6(B=Ti,Se,Pd)和Rb2PdX6(X=F,Cl,Br,I)均是间接带隙半导体,价带顶由X-p(F-2p、Cl-3p、Br-4p或I-5p)轨道主导,导带底由Ti-4d、Se-5p或Pd-5d轨道主导。随着B位或X位原子序数的增加,Rb2BCl6和Rb2PdX6的带隙逐渐减小,光学特征峰均向低能区移动。F基和Cl基双钙钛矿在紫外光范围内具有良好的光学吸收特性,而Br基和I基双钙钛矿在可见光范围内具有宽的光吸收范围。Rb2BX6双钙钛矿具有来源于BX62-簇的高频区振动模式(T1u、T2g、Eg和A1g)和源自于Rb原子的低频区振动模式(T2g和T1u)。
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