[發(fā)明專利]一種基于電聲重整化計算有限溫度下CsPbI3

有效

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• 申請日: 2021-06-01
• 公開（公告）號: CN113327648B
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 奚晉揚;鄭亮亮;楊炯
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00
• 代理公司: 南京蘇創(chuàng)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32273
• 代理人: 常曉慧

本發(fā)明提出一種基于電聲重整化計算有限溫度下CsPbI₃的帶隙的方法，利用第一性原理計算，通過CsPbI₃體積和溫度的關(guān)系構(gòu)建了不同溫度下的CsPbI₃晶體結(jié)構(gòu)，之后設(shè)置合適的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)進行了初始結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，緊接著將優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)擴胞后設(shè)置合適的分子動力學參數(shù)進行有限溫度下的第一性原理分子動力學模擬，再利用溫度依賴有效勢方法對模擬之后的結(jié)果處理得到有限溫度下CsPbI₃的聲子譜，最后再利用“one?shot”方法計算得到CsPbI₃有限溫度下的帶隙。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及CsPbI₃帶隙計算的計算材料領(lǐng)域，是一種基于電聲重整化計算有限溫度下CsPbI₃帶隙的方法。

背景技術(shù)

金屬鹵化物鈣鈦礦材料由于優(yōu)異的光電特性成為近年研究火熱的光電材料之一，但是以MAPbI₃為代表的有機-無機雜化鈣鈦礦由于有機分子易受環(huán)境影響而分解等的不穩(wěn)定性等因素限制了它的商業(yè)化進程。最近將MA替換成Cs的全無機CsPbI₃鈣鈦礦不僅穩(wěn)定性得到了明顯的提升，而且仍保持較高的光電轉(zhuǎn)化效率。

對于光電材料，合適的帶隙是實現(xiàn)高光電轉(zhuǎn)化效率的重要因素，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)材料的帶隙還是溫度的函數(shù)：在實驗中發(fā)現(xiàn)金屬鹵化物鈣鈦礦體系的光學吸收譜隨溫度升高發(fā)生藍移，這意味著溫度的變化引起了帶隙的增大，對于光電性質(zhì)有較大影響。相比較傳統(tǒng)的光電材料，金屬鹵化物鈣鈦礦對于溫度更加敏感，溫度的變化會導(dǎo)致這類材料發(fā)生相變，從而引起帶隙變化；同時，同一相內(nèi)帶隙也會隨溫度變化而改變。半導(dǎo)體材料的帶隙隨溫度變化主要由1)晶格膨脹導(dǎo)致晶格常數(shù)變大，2)晶格原子熱振動導(dǎo)致原子偏離其平衡位置這兩個方面引起。由于聲子誘導(dǎo)的原子熱振動引起結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的電子結(jié)構(gòu)變化，理論上稱之為電聲耦合重整化(Electron-Phonon Renormalization,EPR)。以往在對材料帶隙的理論計算中往往忽略了溫度效應(yīng)，且不能準確地解釋實驗中溫度所導(dǎo)致帶隙變化的原因，因此理論上研究溫度導(dǎo)致的CsPbI₃鈣鈦礦能帶結(jié)構(gòu)變化尤其探究其中的微觀機理，以幫助設(shè)計具有優(yōu)良光電特性的CsPbI₃鈣鈦礦光電材料就很重要。

目前對材料有限溫度下帶隙的計算方法中，第一性原理分子動力學(MolecularDynamics,MD)模擬取不同瞬態(tài)結(jié)構(gòu)計算帶隙再統(tǒng)計平均值的方法，存在不同瞬態(tài)結(jié)構(gòu)間差別較大且計算量大的缺點；通過求解體系電聲耦合強度，再利用電子與單(雙)聲子作用的多體微擾(Perturbation Theory,PT)方法也存在電聲耦合計算量巨大，對計算資源要求較高的問題；通過求解所有聲子模式的原子振動位移與頻率，并以聲子玻色-愛因斯坦分布(Bose-Einstein Distribution)作為權(quán)重，最后統(tǒng)計平均特定溫度下原子因熱振動而偏離平衡位置的構(gòu)型并計算電子結(jié)構(gòu)的凍聲子(Frozen Phonon,FP)方法不但能夠較準確的描述溫度所導(dǎo)致的帶隙變化的情況，而且還能大大減少計算資源。其中基于凍聲子的“one-shot”方法可通過一次聲子譜的計算獲得受溫度影響的晶體結(jié)構(gòu)，進而能準確且有效地計算材料有限溫度下的帶隙，并且能進一步通過分解聲子模式而得到各聲子模式對有限溫度帶隙變化的貢獻。此外，通過準諧近似的方法(Quasi Harmonic Approximation,QHA)也能獲得材料的體膨脹系數(shù)，從而構(gòu)造特定溫度下的晶格參數(shù)

由于CsPbI₃這類材料結(jié)構(gòu)的特殊性，常規(guī)phonopy計算出來的零溫聲子譜有虛頻，因此不能利用常規(guī)的QHA考慮晶格膨脹+零溫聲子譜考慮原子振動的“one-shot”方法計算有限溫度下的帶隙。本方法利用第一性原理分子動力學可以考慮原子運動對于溫度的響應(yīng)(包含晶格膨脹+晶格振動)，結(jié)合溫度依賴有效勢(Temperature Dependent EffectivePotential，TDEP)方法可以從分子動力學軌跡和原子受力中提取溫度相關(guān)的力常數(shù)來獲得有限溫下CsPbI₃的聲子譜，之后通過“one-shot”方法計算得到有限溫度下CsPbI₃的帶隙。