杂化泛函HSE和PBE0计算CsPbI缺陷性质的比较研究(英文)

作     者：吴晓维 张涵 曾彪 明辰 孙宜阳 

作者机构：中国科学院上海硅酸盐研究所 中国科学院大学材料科学与光电工程中心 

出 版 物：《无机材料学报》 (Journal of Inorganic Materials)

年 卷 期：2023年

核心收录：

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

基　　金：National Key R&D Program of China (2021YFB3500501) 

主　　题：钙钛矿 本征缺陷 CsPbI 杂化泛函 第一性原理计算 

摘      要：卤族钙钛矿材料在太阳能电池、发光二极管和光探测器等领域受到了广泛关注，这得益于其突出的载流子输运性质。缺陷容忍性是该类材料具有优异输运性能的关键，即材料中可能存在一定数量的本征缺陷，但是对载流子非辐射复合过程贡献很小。在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中，密度泛函理论计算具有重要作用。尽管传统的半局域泛函(如PBE)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。文献中存在两种关于杂化泛函的选择，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。本研究的结果表明，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。