元素取代对BaXO3(X=Ti，Ni)钙钛矿光电性能影响的第一性原理研究

作     者：刘晶晶 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖海燕

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：BaXO3 取代 光学性质 密度泛函理论 

摘      要：为契合时代发展的宗旨与主题,寻找新型环境友好型能源是当下的热门研究方向之一。铁电光伏材料因其自身独特的光生伏特效应,可将太阳能转换为电能,因而在能源材料领域受到了研究者的特别关注。目前,铁电钙钛矿光伏材料因其普遍偏大的带隙值3 e V导致自身光电流偏小,进而导致其光电转换效率不高。因此,探索可降低铁电钙钛矿带隙宽度且不影响其非中心对称结构的方法具有重要的意义。本文采用第一性原理方法,系统地探索了阴离子取代和阳离子取代对铁电钙钛矿基态性质、电学性质以及光学性质的影响,具体的研究内容如下:1、S元素取代四方相BaTiO的O元素对四方相BaTiO基态性质以及光学性质物理性能的影响。研究发现,S元素和O元素的不同比例对化合物Ba Ti(O,S)的结构参数、晶系影响很大,这与S元素引入后导致的电荷重新分布密切相关。与母体材料四方相BaTiO相比,化合物BaTiO-S(x=1.5、2、2.5、3)具有更低的光学带隙。尤其是三斜相BaTiOS,其带隙值为1.25 e V,与理想光伏带隙1.5 e V较为接近。与此同时,BaTiOS在可见光区体现光学各向同性。该结果表明,三斜相BaTiOS是极具潜力的新型光伏材料。此外,本研究工作还发现,S取代可有效降低铁电钙钛矿的介电常数。2、Fe元素取代对六方相BaNiO基态性质和光学性质的影响。研究结果表明,Fe元素的引入对六方相BaNiO的晶格常数、键角影响很大,进而影响其晶系。通过分析能带结构图以及态密度图可知,化合物Ba NiFeO(x=0.25、0.5、0.75、1)费米能级附近的能带形状以及态密度占据情况与母体结构BaNiO有着明显的差异。其中,Ba Fe O仍保持着六方相的晶体结构,且呈金属态。化合物BaNiO和Ba NiFeO的带隙值分别为1.28 e V和1.12 e V,与理想光伏带隙值1.5 e V较为接近。综上所述,本论文通过第一性原理研究发现,S元素取代可有效降低BaTiO的带隙值,提高BaTiO对可见光的吸收效率,并有效降低BaTiO的介电常数,而Fe元素取代可有效降低BaNiO的带隙值并提高BaNiO对可见光光子的吸收效率。这些研究结果表明,元素取代(S元素,Fe元素)可有效调控钙钛矿Ba XO(X=Ti、Ni)的基态性质以及光学性质。本论文的研究结果丰富了铁电钙钛矿材料光伏性能的研究,并对后续相关的实验和理论研究提供了一定的理论参考。