[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010495984.0
• 申請(qǐng)日: 2020-06-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111653325A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇杰;林珍華;常晶晶;張鈞瑜;郝躍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G16C60/00
• 分類(lèi)號(hào): G16C60/00;G16C10/00
• 代理公司: 西安銘澤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61223
• 代理人: 梁靜

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法，屬于屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：S1、利用MS軟件構(gòu)建鈣鈦礦晶系超胞的缺陷晶體模型，并借助VESTA軟件將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件類(lèi)型轉(zhuǎn)為.vasp文件格式；S2、對(duì)中間產(chǎn)物晶體模型和缺陷晶體模型進(jìn)行第一性原理計(jì)算模擬，S3、以線(xiàn)性規(guī)劃分析制備中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物形成約束條件，在約束條件內(nèi)量化缺陷晶體形成能，并以缺陷晶體形成能量化缺陷晶體內(nèi)能級(jí)位置；S4、改變約束條件內(nèi)的變量，分析缺陷晶體的形成能和能級(jí)位置的變化，即起到調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的作用。本發(fā)明揭示鈣鈦擴(kuò)材料內(nèi)部的自發(fā)缺陷和深淺能級(jí)的形成規(guī)律，可以通過(guò)調(diào)控得到需要的材料特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法。

背景技術(shù)

鈣鈦礦作為一種新型材料應(yīng)用廣泛，既可以做太陽(yáng)能電池的光吸收層材料，也可以應(yīng)用在發(fā)光二極管，半導(dǎo)體激光器和光伏探測(cè)器等領(lǐng)域。以鈣鈦礦材料制備的器件成本低，作為光吸收層材料效率高易于制備、作為發(fā)光二極管光譜可調(diào)、作為光伏探測(cè)器覆蓋光譜范圍廣。然而對(duì)于半導(dǎo)體材料，本征缺陷的產(chǎn)生不可避免，且微量的缺陷往往會(huì)對(duì)半導(dǎo)體器件性能產(chǎn)生巨大的影響。

目前有關(guān)鈣鈦礦材料在光電學(xué)和光電子學(xué)研究的共同點(diǎn)是，主要是一種基于鉛、鹵素和小有機(jī)分子或大金屬陽(yáng)離子雜化的有機(jī)或無(wú)機(jī)鈣鈦礦材料，這個(gè)家族的典型化合物是甲基銨，僅Liu,M.；Johnston,M.B.等人報(bào)道的一種簡(jiǎn)單的異質(zhì)結(jié)鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池的光伏效率就達(dá)到了15％，最近陸續(xù)報(bào)道的光伏效率最高達(dá)到23％。但是，不管材料用在什么領(lǐng)域采用什么技術(shù)，這種鈣鈦礦材料本身含有Pb元素且易水解的性質(zhì)都決定了其對(duì)環(huán)境污染是不可避免的。把Pb元素替換成無(wú)毒的Sn元素是一種很有吸引力的解決方案，目前已有相關(guān)報(bào)道，例如M.H.Kumar,S.Dharani等人提出了一種以CsSnI3為有源層的光伏器件，光伏器件的效率為2％。可以看出和Pb基鈣鈦礦電池光伏效率有不小的差距，除了制備方法器件結(jié)構(gòu)的原因，這可能是由于對(duì)材料內(nèi)部缺陷不了解造成的。

鄭志平，陳樺林等人報(bào)道的一種提高溴銫鉛電阻率的方法通過(guò)摻雜一價(jià)陽(yáng)離子Ag的方法提高了材料的電阻率和載流子遷移壽命使其更好的用在高能射線(xiàn)探測(cè)器方面，但是可能使結(jié)晶部分區(qū)域摻雜不均影響光電性質(zhì)。因此我們提出了一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法，通過(guò)調(diào)控晶體的自發(fā)缺陷行為不需要摻雜就可以得到較好的材料特性。

因此，這種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法對(duì)鈣鈦礦材料用在光伏器件、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和光伏探測(cè)器等領(lǐng)域都有著重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述方法所存在的缺點(diǎn)與不足，提出了一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法，使用第一性原理計(jì)算得出不同制備環(huán)境下的缺陷晶體的形成能，并得出缺陷的能級(jí)位置，結(jié)合兩種屬性調(diào)控出低深能級(jí)缺陷晶體的制備環(huán)境，得以闡明晶體自發(fā)缺陷的形成能和制備晶體過(guò)程中元素的化學(xué)勢(shì)間的關(guān)系，采用本發(fā)明的方法對(duì)提高鈣鈦礦材料的光伏器件、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和光伏探測(cè)器等器件的性能有一定意義。

本發(fā)明的目的提供一種基于第一性原理計(jì)算調(diào)控鈣鈦礦材料缺陷的方法，包括以下步驟：

S1、利用MS軟件構(gòu)建中間產(chǎn)物晶體模型和鈣鈦礦晶系超胞的缺陷晶體模型，并借助VESTA軟件將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件類(lèi)型轉(zhuǎn)為.vasp文件格式；

S2、對(duì)中間產(chǎn)物晶體模型和缺陷晶體模型進(jìn)行第一性原理計(jì)算模擬，得到各模型原子位置信息和晶格體系自由能；

S3、以線(xiàn)性規(guī)劃分析制備中間產(chǎn)物和終產(chǎn)物形成約束條件，在約束條件內(nèi)量化缺陷晶體形成能，并以缺陷晶體形成能量化缺陷晶體內(nèi)能級(jí)位置；

其中，所述約束條件是以中間產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能為邊界，中間產(chǎn)物中元素的化學(xué)勢(shì)為自變量的線(xiàn)性規(guī)劃；所述缺陷晶體形成能以形成能公式代入晶格體系自由能和缺陷原子化學(xué)勢(shì)求得，所述缺陷原子化學(xué)勢(shì)為約束條件允許的化學(xué)勢(shì)解；