PbS量子点表面态及合金量子点第一性原理计算

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PbS量子点由于其简单、低成本的生产工艺、独特的带隙可调性和潜在的多激子产生效应,在光伏器件中具有广阔的应用前景。由于量子点表面原子具有较高的活性,存在大量表面态,导致光电性能下降,因此对量子点表面的钝化是非常有必要的,同时多元量子点通过改变其组份和内部结构可以调节带隙宽度,使其得到更优的光学和电学性质,因此研究合金量子点是非常有意义的。所以本文的工作主要围绕PbS量子点表面钝化及PbSxSe1-x合金量子点展开研究,首先基于第一性原理对不同化学计量比PbS量子点及不同卤族原子钝化PbS量子点的吸附能、电子态密度、电荷布局、功函数、光吸收等进行计算,得到量子点表面结构及Pb、S组份比对带隙的影响,之后对PbS1-xSex合金量子点模型的电子态密度、光吸收、介电常数进行计算,得到合金量子点电学特性以及光学性质随组份的变化规律。具体得出以下结论:1、对不同化学计量比PbS量子点的计算表明,当Pb:S>(13:11)时,材料表现金属特性;当Pb:S=(13:11)时,出现带隙,材料表现半导体特性;当Pb:S=(1:1)时,出现最大带隙,继续增加S原子,带隙值开始变窄;当Pb:S=(13:16)时,带隙消失,材料表现出金属特性。另外,计算发现Pb原子占比越多的量子点吸附能越小,体系越稳定,S原子占比越多的量子点功函数越大。2、Br原子在量子点上对称位置吸附时能量最低。随着吸附率逐渐增高,量子点由金属向半导体转换,Br原子吸附在量子点表面并将所有的Pb原子包裹住,量子点的禁带宽度为0.52eV,Br原子吸附在量子点表面并将所有的Pb原子和S原子包裹住,禁带宽度可以达到1.87eV。3、分别选择Cl、Br、I元素钝化PbS量子点,分析结果表明Cl原子钝化量子点时吸附能最小,体系最稳定,随着Cl、Br、I原子序数的增加,钝化后量子点的禁带宽度逐渐拓宽,且I原子钝化量子点后的带隙值接近于Pb:S=1:1时量子点的带隙值。电荷布居和结构参数计算结果表明,I原子钝化PbS量子点后表面Pb原子电荷转移接近于PbS=1:1时量子点的电荷转移值和结构参数,光吸收表明I原子钝化量子点吸收边阈值最大,接近带隙值,且最高吸收峰出现蓝移。4、建立Pb32S32、Pb32S20Se12、Pb32S8Se24、Pb32Se32四种模型并对其能带结构进行计算,结果表明三元PbSxSe1-x禁带宽度大于二元量子点PbS和PbSe的禁带宽度,且在三元结构中,随着Se含量的增加,禁带宽度减小。光吸收表明PbSxSe1-x合金量子点的吸收边阈值与带隙值一致,Se原子占比越多的量子点,最强吸收峰对应的波长越长,且吸收系数越大。Pb32S32、Pb32S20Se12、Pb32S8Se24、Pb32Se32的静介电常数随着Se组份增多由1.11增加到1.15。
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