[發明專利]一種基于第一性原理計算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法

在審

• 申請號: 202010495984.0
• 申請日: 2020-06-03
• 公開（公告）號: CN111653325A
• 公開（公告）日: 2020-09-11
• 發明（設計）人: 蘇杰;林珍華;常晶晶;張鈞瑜;郝躍
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G16C10/00
• 代理公司: 西安銘澤知識產權代理事務所(普通合伙) 61223
• 代理人: 梁靜

本發明公開了一種基于第一性原理計算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法，屬于屬于新材料技術領域。包括以下步驟：S1、利用MS軟件構建鈣鈦礦晶系超胞的缺陷晶體模型，并借助VESTA軟件將結構數據文件類型轉為.vasp文件格式；S2、對中間產物晶體模型和缺陷晶體模型進行第一性原理計算模擬，S3、以線性規劃分析制備中間產物和終產物形成約束條件，在約束條件內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能級位置；S4、改變約束條件內的變量，分析缺陷晶體的形成能和能級位置的變化，即起到調控鈣鈦礦材料缺陷的作用。本發明揭示鈣鈦擴材料內部的自發缺陷和深淺能級的形成規律，可以通過調控得到需要的材料特性。

技術領域

本發明屬于新材料技術領域，具體涉及一種基于第一性原理計算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法。

背景技術

鈣鈦礦作為一種新型材料應用廣泛，既可以做太陽能電池的光吸收層材料，也可以應用在發光二極管，半導體激光器和光伏探測器等領域。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、作為發光二極管光譜可調、作為光伏探測器覆蓋光譜范圍廣。然而對于半導體材料，本征缺陷的產生不可避免，且微量的缺陷往往會對半導體器件性能產生巨大的影響。

目前有關鈣鈦礦材料在光電學和光電子學研究的共同點是，主要是一種基于鉛、鹵素和小有機分子或大金屬陽離子雜化的有機或無機鈣鈦礦材料，這個家族的典型化合物是甲基銨，僅Liu,M.；Johnston,M.B.等人報道的一種簡單的異質結鈣鈦礦型太陽能電池的光伏效率就達到了15％，最近陸續報道的光伏效率最高達到23％。但是，不管材料用在什么領域采用什么技術，這種鈣鈦礦材料本身含有Pb元素且易水解的性質都決定了其對環境污染是不可避免的。把Pb元素替換成無毒的Sn元素是一種很有吸引力的解決方案，目前已有相關報道，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構的原因，這可能是由于對材料內部缺陷不了解造成的。

鄭志平，陳樺林等人報道的一種提高溴銫鉛電阻率的方法通過摻雜一價陽離子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探測器方面，但是可能使結晶部分區域摻雜不均影響光電性質。因此我們提出了一種基于第一性原理計算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法，通過調控晶體的自發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算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法對鈣鈦礦材料用在光伏器件、發光二極管、半導體激光器和光伏探測器等領域都有著重要意義。

發明內容

本發明的目的在于針對上述方法所存在的缺點與不足，提出了一種基于第一性原理計算調控鈣鈦礦材料缺陷的方法，使用第一性原理計算得出不同制備環境下的缺陷晶體的形成能，并得出缺陷的能級位置，結合兩種屬性調控出低深能級缺陷晶體的制備環境，得以闡明晶體自發缺陷的形成能和制備晶體過程中元素的化學勢間的關系，采用本發明的方法對提高鈣鈦礦材料的光伏器件、發光二極管、半導體激光器和光伏探測器等器件的性能有一定意義。

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

S1、利用MS軟件構建中間產物晶體模型和鈣鈦礦晶系超胞的缺陷晶體模型，并借助VESTA軟件將結構數據文件類型轉為.vasp文件格式；

S2、對中間產物晶體模型和缺陷晶體模型進行第一性原理計算模擬，得到各模型原子位置信息和晶格體系自由能；

S3、以線性規劃分析制備中間產物和終產物形成約束條件，在約束條件內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能級位置；

其中，所述約束條件是以中間產物的標準吉布斯能為邊界，中間產物中元素的化學勢為自變量的線性規劃；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勢求得，所述缺陷原子化學勢為約束條件允許的化學勢解；