钙钛矿材料表面吸附特性的量子动力学研究

来源 :华北电力大学(北京 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq350645682
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随着生活水平的提高,环境中有毒气体的检测已经成为人们关注的焦点。不同于传统氧化物半导体气敏元件需要预热才能具备稳定良好的气敏特性,近期研究发现,有机无机金属卤化物钙钛矿材料常温下即可对氧化性、还原性及中性气体均表现出高灵敏度、快速响应等特点,加之其制备成本低廉,从而成为一类非常具有发展潜力的气敏材料。基于钙钛矿材料的化学电阻型气敏传感器特性已经得到了大量的实验验证,而对其气敏机理的研究仍处于起步阶段。气体在半导体表面的吸附是探究气敏机理的第一步,传统的静态吸附模型的吸附位点是根据经验选定的,然而钙钛矿材料结构稳定性欠佳会导致其活性位点的动态变化且产生新的物质,因此静态吸附模型无法准确描述这一过程,因此量子动力学被提出以动态模拟钙钛矿材料表面气体吸附的过程。本文采用量子动力学方法研究了还原性的NH3和氧化性的O2、O3在CH3NH3PbI3表面以及中性的H2O、还原性的NH3及氧化性的O2、NO2和O3在CsPbBr3表面的吸附特性,同时结合此前对(CH3NH3)2Pb(SCN)2I2体系的动力学研究,结果证明:CH3NH3PbI3在面对气体吸附时Pb-I键的脆弱性是制约其气敏检测稳定性的主要原因。因此本工作引入Br同时使用非极性球状的Cs+取代极性棍状的CH3NH3+,模拟结果显示CsPbBr3提高了气敏检测的结构稳定性。同时气体吸附过程中形成相互作用是钙钛矿材料对气体具有吸附特性的主要表现,本工作使用电荷转移和吸附能定量表征这种相互作用,结果表明相互作用越多电荷转移数越多;而相互作用越强吸附能越大;综合这两个特性解释了钙钛矿材料对气体良好的吸附特性和选择性的原因。此外本工作解释了钙钛矿材料对还原性、中性和氧化性气体都具有良好吸附特性的主要根源是作为吸附中心的Pb2+既具有氧化性又具有还原性。与Pb结合的卤素离子氧化性强弱可直接影响其氧化性,因此基于Pb-Br骨架的CsPbBr3比CH3NH3PbI3对还原性气体具有更加敏感的吸附特性;中性水分子次之;而氧化性气体的吸附特性较弱,这一规律与上述吸附能结果一致,为指导设计选择性好、灵敏度高的稳定气敏材料提供了借鉴意义。
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