バンドギャップを調整し、圧力下でAGeF3 (A = K、Rb) の光学機能を強化し、オプトエレクトロニクスアプリケーションを改善

Scientific Reports volume 12、記事番号: 8663 (2022) この記事を引用

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現在の研究では、密度汎関数理論を使用して、静水圧下でのハロゲン化物ペロブスカイト AGeF3 (A = K, Rb) の物理的特性を熱心に解析しています。 この研究の目標は、光学特性を改善し、オプトエレクトロニクス用途に対する化合物の適合性を評価するために、圧力下で AGeF3 (A = K、Rb) の電子バンドギャップを減少させることです。 構造パラメータは高度な精度を示し、以前に公開された研究とよく相関しています。 さらに、結合長と格子パラメータが大幅に減少し、原子間の相互作用が強くなります。 K(Rb)-F と Ge-F の間の結合は、それぞれイオン結合と共有結合の性質を示し、その結合は圧力下でより強くなります。 静水圧を加えると、光の吸収と伝導率に顕著な変化が見られます。 圧力が増加するとバンドギャップが小さくなり、導電率が向上します。 また、光学機能は、研究された材料が可視および紫外スペクトルで動作するさまざまな光電子デバイスに使用される可能性があることを予測します。 興味深いことに、この化合物は圧力下での光電子用途での使用により適したものになります。 さらに、外部圧力は標記ペロブスカイトの機械的挙動に大きく影響し、ペロブスカイトの延性と異方性を高めます。

立方晶ペロブスカイトは、ここ数年研究者や科学者からかなりの支持を得ています。 これらのペロブスカイトは、半導体、センサー、超電導、太陽電池、光電子デバイス、LED (発光デバイス) などの複数の分野で多用途に応用できるため、注目を集めています。 その結果、研究者らはペロブスカイト材料の物理的挙動に関する実験的研究と理論的研究4、5、6、7の両方を実施し、さまざまなオプトエレクトロニクス分野での応用の新たな可能性を生み出しました。 興味深いことに、ペロブスカイト太陽電池 (PSC) の改良が加速され、その結果、電力変換効率 (PCE) は 22.1% に達しました8。 これまで、Pb ベースのペロブスカイト太陽電池では 25.2% という最高の PCE が記録されています 9 が、湿度、湿気、温度、紫外線の影響で寿命が短くなります 10。 一方、ヨウ化エチルアンモニウムを組み込んだ鉛フリーのハロゲン化スズペロブスカイトは、約 13% の PCE を示しました11。 初期段階では、金属 Pb2+ ベースの有機 PSC、つまり CH3NH3PbI3 (または MAPbX3) が開発されました 12、13、14。 しかし、これらの有機化合物の毒性により、大きな欠点が生じました。 Pb は毒素として認識されており、多くの障害を引き起こします15。 さらに、有機 MA+ カチオンは環境に重大な問題を引き起こし、製造プロセスを非常に危険で有害なものにしています16。 毒性を無効にするために、Pb2+ カチオンの代わりに Ge2+ や Sn2+ などの非毒性カチオンが使用されたり、対応する有機カチオンの代わりに K+、Rb+、および Cs+ カチオンが使用されたりしています 15、17、18、19。 したがって、A、B、C がそれぞれ一価カチオン、二価カチオン、ハロゲンアニオンを表す ABX3 の新しい構造が出現しました。 Ge ベースの無機ペロブスカイトは、Pb ベースのペロブスカイトと比較して優れた光吸収性と導電性を備えているため、Pb の代替候補として浮上しています 20。 周囲温度では、Ge ベースのペロブスカイトは相変態を示しません 21,22。 さらに、K と Rb は太陽光発電用途に有望な可能性を示しています 23。 Jain ら 24 は、RbSn(Cl,Br)3 ペロブスカイトの第一原理計算を利用して、太陽光発電に適した顕著なバンドギャップを評価しました。 一価カチオン K+ ベースのペロブスカイトは、高い吸収と設定可能なバンドギャップにより、太陽電池に利用できる可能性があります 20、22、25。 最近の研究では、無機ハロゲン化物ペロブスカイトは太陽電池用途の信頼できる材料として認識されています 25,26。 ハロゲン化物ペロブスカイトの物理的特性を向上させる目的で、静水圧を適用すると、多大な成果が得られることが実証されています 27、28、29、30、31、32。 通常、静水圧は格子パラメータ 33、カチオンとアニオンの変位 34,35、八面体かごの回転 36、相転移 37,38 などを変化させます。金属ハロゲン化物の場合、格子定数や単位セル体積などの構造特性は圧力の増加とともに減少します 29 、32。 同様の挙動がハロゲン化物ペロブスカイトでも検出できます。 最近の研究では、KCaCl339、CsGeI330、RbYbF340、CsGeI341 などの無機ハロゲン化物ペロブスカイトは、静水圧下でバンドギャップが減少し、その結果として導電率が向上することが示されています。 さらに、圧力を加えるとハロゲン化物ペロブスカイトの光学パラメータが著しく向上し、オプトエレクトロニクス分野の機能が強化されます。 したがって、本研究の目的は、静水圧を加えた後のハロゲン化物ペロブスカイト AGeF3 (A = K, Rb) のさまざまな物理的特徴の変化を評価および検討することです。 より具体的には、この研究では、AGeF3 (A = K、Rb) の構造的、電子的、光学的、機械的特性を第一原理計算を使用して分析し、静水圧の適用によってAGeF3がオプトエレクトロニクス分野にとってより魅力的なものになったかどうかを観察しました。

幾何学的最適化では、研究対象として選択された化合物 AGeF3 (A = K、Rb) が空間群 Pm-3m (#221) を持つ立方体セル内で結晶化したことが示されています。 単位格子では、A (= K, Rb)、Ge、F 原子はそれぞれ角、体中心、面中心に位置し、ワイコフ位置は 1a (0, 0, 0)、1b (0.5) です。 、0.5、0.5)、および 3c (0、0.5、0.5) です。 AGeF3 (A = K、Rb) の最適化された結晶構造と結晶学的サイトを図 1 に示します。大気圧で評価された KGeF3 の格子定数は 4.451 Å (表 1) であり、参考研究 (4.46 Å) に比較的近い値です。 Å)20. 0.2% という偏差値は、この研究の精度の高さを示しています。 RbGeF3 の場合、格子定数は 4.490 Å (表 1) であり、以前の研究 (4.49 Å) からの逸脱がないことが示されています 20。 0 ～ 30 GPa の範囲の静水圧を両方の化合物に適用して、表 1 に示す構造パラメータを計算します。圧力の適用は、構造パラメータに大きな影響を与えることを示しています。 静水圧に対する相対格子定数と単位セル体積の変化をそれぞれ図S1a、bに示します。 プロットされたグラフは、加えられた圧力が線形に上昇すると、格子定数と単位セル体積の両方が減少することを示しています。 静水圧下での格子パラメータのこの減少傾向は、化合物内の結合長が減少していることを示しています (表 2)。 圧力下での AGeF3 (A = K、Rb) の相安定性を正当化するために、次の式を使用して形成エネルギー (ΔEf) を計算し、表 1 に記録します。

ここで、Es(A)、Es(Ge)、Es(F) はそれぞれ A (= K, Rb)、Ge、F 原子のエネルギーであり、Etot(AGeF3) は原子の単位格子の全エネルギーを表します。 AGeF3、N は単位格子内の原子の数です。 すべての印加圧力におけるΔEf の負の値は、標題のハロゲン化物系の熱力学的安定性を明らかにしています 42。

ハロゲン化物ペロブスカイト KGeF3 および RbGeF3 の最適化された結晶構造。

材料の電子的性質を評価するには、そのバンド構造と状態密度を理解する必要があります。 異なる印加圧力における KGeF3 と RbGeF3 のバンド構造を図 1 と 2 に示します。 それぞれ2と3。 0 eV の水平点線はフェルミ レベル (EF) を示します。 0 GPa では、両方の化合物の緑と赤の線で示される価電子帯最大値 (VBM) と伝導帯最小値 (CBM) がブリルアン ゾーンの R 点に見られます。 したがって、KGeF3 の直接バンド ギャップ (Eg) は 1.98 eV であることがわかりますが、RbGeF3 の場合は 2.012 eV です。 AGeF3 で見つかった Eg 値 (A = K、Rb) は、GGA-PBE 近似を使用して得られた理論値と完全に一致しています19。 圧力が増加すると、両方の化合物の CBM が EF に向かって移動し始め、その結果 Eg が減少します。 30 GPa では、KGeF3 の Eg は 0.16 eV に低下しますが、RbGeF3 の Eg は 0.26 eV です。 両方の化合物の圧力下での Eg の減少を図 S2 にグラフで示します。 バンドギャップと外部圧力の間には反比例の関係が存在し43、格子パラメータの減少に関与する電子とイオン間のポテンシャルを増加させる可能性があります (表 1)。 格子パラメータが減少すると、ブリルアン ゾーン対称点のバンド ギャップが縮小します。 Eg が減少すると、価電子帯から伝導帯への電子の輸送が容易になります。 その結果、光吸収性と伝導性がより高くなり、オプトエレクトロニクス用途にとって有益となる可能性があります。

圧力を加えたときの KGeF3 のバンド構造。

圧力を加えたときのRbGeF3のバンド構造。

さらに、AGeF3（A = K、Rb）の全状態密度（TDOS）が計算され、バンド構造を説明するために図S3a、bに示されています。 0 eV の垂直破線は EF を示します。 両方の化合物について、すべての加圧下で EF での TDOS 値は観察されません。これは、これらの化合物の半導体的性質も反映しています。 伝導帯では TDOS に大きな圧力の影響があり、圧力が増加するにつれてすべての鋭いピークが徐々に EF に向かって移動します。 このピークシフトは圧力下でのバンドギャップの縮小の原因であり、これは R 点のバンド構造にも現れます。 ただし、部分状態密度 (PDOS) は、バンド構造を形成する材料の原子の寄与を得るために重要です。 それは図２から明らかである。 図４および５から、ＥＦ付近の両方の化合物の価電子帯は、ほとんどがＧｅ－４ｓ軌道およびＦ－２ｐ軌道に由来し、Ｇｅ－４ｐ軌道は少量であることがわかる。 一方、伝導帯は、K-4s (Rb-5s)、K-4p (Rb-4p)、Ge-4s、Ge-4p、および F-2p 状態から生じます。 Ge-4p 軌道が両方の化合物の Eg を狭くする主な原因であることは明らかです。 Ge-4p と F-2p の間のハイブリダイゼーションは外部圧力を上げることによって促進され、これにより EF に向かって伝導バンドが上昇し、バンド ギャップが減少します。 さらに、圧力に応じてGe-F結合長が短縮されると（表2）、伝導帯におけるGe-4p軌道とF-2p軌道の間の混成が改善され、ブリルアンゾーンのR点でのCBMが低下する可能性があります（図2）。 2、3）。 したがって、KGeF3 (RbGeF3) のバンドギャップは 1.98 (2.012 eV) から 0.16 eV (0.26 eV) に減少します。

圧力を加えたときの KGeF3 の部分状態密度。

圧力を加えたときの RbGeF3 の部分状態密度。

電荷密度マッピングは、原子周囲の電荷分布と化合物の結合性質を視覚化するのに役立ちます。 図 6 および 7 は、結晶面 (100) および (200) に沿った AGeF3 (A = K、Rb) の電荷密度マッピングを示しています。 右側のスケールは電子密度を示し、低い強度は青色、高い強度は赤色で表されます。 周囲圧力では、K(Rb) 原子と F 原子は (100) 面に沿った球状の電荷等高線を示し、それらの間にイオン結合が存在することを示します (図 6a、7a)。 さらに、（200）面に沿ってGeおよびF原子の周囲に楕円形の電荷分布が観察されるため、Ge-Fの共有結合の性質が予測されます（図6b、7b）。 電荷分布に対する圧力の影響を理解するために、30 GPa の印加圧力での電荷密度も推定されます。 （100）面に沿ったK（Rb）原子とF原子の周囲の球状電荷等高線には目立った違いはありません（図6c、7c）。 ただし、GeおよびF原子の周囲の輪郭は（200）面に沿ってより楕円形になり、Ge-Fの共有結合が強化されます（図6d、7d）。 Ge-F の結合長は K(Rb)-F の結合長よりも長く (表 1)、K(Rb) と F 原子間の結合が Ge と F 原子間の結合よりも強いことを示しています。 したがって、AGeF3 (A = K, Rb) の結晶構造では、Ge-F のより弱い共有結合と K(Rb)-F のより強いイオン結合が示されており、電荷密度マップによって予測された推定結果が検証されます。 圧力が増加するにつれて結合長は単調に減少するため（図S4a、b）、したがってイオン/共有結合はより強くなります。

0 GPa および 30 GPa の圧力における KGeF3 の電荷密度プロット。

0 GPa および 30 GPa の圧力における RbGeF3 の電荷密度プロット。

鉛を含まない（無毒な）金属ハロゲン化物は、その優れた光学特性により注目されています。 これらは、光電子デバイスおよび太陽電池において非常に高く評価される性能を実証します。 このセクションでは、いくつかの光学特性、つまり吸収、伝導率、反射率、反射率、誘電関数について詳しく分析し、説明します。 結果は、0 GPa および 30 GPa の圧力における [100] の電子分極ベクトルを使用して表示されます。

残りの光学関数を取得するには、誘電関数を決定する必要があります44。 これは、ε(ω) = ε1(ω) + iε2(ω) として表すことができます。 ここで、ε1(ω) と ε2(ω) はそれぞれ誘電関数の実数部と虚数部を表します45。 クラマースとクローニッヒの関係 46 によれば、ε1(ω) は次のように書かれます。

一方、ε2(ω) は、占有波動関数と非占有波動関数の間の運動量テンソルを使用して計算することもできます 47,48。

ここで、ωは光の周波数を意味する。 \({\psi }_{k}^{c}\) と \({\psi }_{k}^{V}\) は、それぞれ k における伝導帯と価電子帯の波動関数を表します。e は電子波動関数です。電荷、Ω は単位セルの体積を表し、U は入射電場の分極に沿った単位ベクトルを示します。 デルタ関数は、光子エネルギー E. \({E}_{K}^{C}\) および \({E}_) の放出または吸収を通じて、占有電子状態と非占有電子状態の間の遷移中のエネルギーと運動量の保存を保証します。 {K}^{V}\) は、それぞれ伝導帯と価電子帯の特定の k ベクトルにおける電子のエネルギーを示します。 残りの光学パラメータは、他の場所で与えられた式を使用して計算されます49。

光吸収係数（α）は、物質が単位長さあたりに吸収するエネルギー量を表します。 材料の最適な太陽エネルギー変換の効率は、それによって簡単に説明できます。 図8aから、KGeF3とRbGeF3の両方が周囲圧力でバンドギャップを含むため、吸収は0 eVでは始まりません。 紫外領域では、KGeF3 と RbGeF3 はそれぞれ約 8 ～ 22 eV と約 8 ～ 18 eV の範囲に 3 つの鋭いピークを示します。 したがって、どちらの化合物も 0 GPa の紫外領域では良好な吸収剤として機能します。 30 GPa の圧力が加えられると、両方の化合物は 0 GPa で示されるものと同様の紫外領域内でピークを示します。 この場合、両方の化合物は約 15 eV で追加のピークを示します。 興味深いことに、吸収スペクトルは30 GPaでほぼ0 eVから始まります（ただし、バンドギャップが非常に小さいため0 eVではありません）（図8aの挿入図）。 可視光領域の吸収は図8bに明示的に示されています。 可視領域における両方の化合物の吸収は、0 GPa で観察された吸収よりも 30 GPa で明らかに高くなります。 その結果、研究されたペロブスカイトは、30 GPaの圧力で光電変換に可視光エネルギーを使用し、太陽電池の効率を向上させる可能性があると期待されています。

AGeF3 の圧力誘起光の計算値 (a) 吸収対エネルギー、(b) 吸収対波長、(c) 伝導率対エネルギー、(d) 伝導率対波長 (A = K、Rb)。

光伝導性は、光伝導性 (σ) の別の用語です。 これは、物質内の光子の伝導率を指します50。 図 8c は、0 GPa および 30 GPa の圧力における AGeF3 (A = K、Rb) の σ を示しています。 0 GPa では、ペロブスカイトは可視領域で σ を示します。 σ は負の ε1(ω) で最大値に達します (図 9c)。 したがって、KGeF3 と RbGeF3 は、それぞれ約 22 ～ 24 eV と ～ 18 ～ 22 eV のエネルギー領域で最大 σ を示します。 30 GPaでは、両方の化合物は可視領域で増加したσを示します（図8d）。 0 GPa と同様に、KGeF3 の最も高い σ ピークは約 22 ～ 24 eV のエネルギー領域にあります。 ただし、RbGeF3 の場合、最も高い σ ピークはエネルギー範囲約 19 ～ 21 eV にわずかにシフトします。 ただし、図8dに見られるように、吸収が増加するため、両方の化合物のσは圧力下の可視領域で大幅に増加します。

AGeF3 の光学 (a) 反射率、(b) 屈折率、(c) 誘電関数の実部、および (d) 誘電関数の虚部の計算された圧力誘起スペクトル (A = K、Rb)。

反射率 (R) は、材料の太陽光発電用途にとって重要な光学的特徴です。 非常に低いエネルギーの光子にさらされると、KGeF3 と RbGeF3 は入射光の約 10% を反射します (図 9a)。 両方の物質が赤外線から可視領域に移行するときに上昇します。 紫外領域に遷移した後、KGeF3 と RbGeF3 は、誘電関数の実数部が負である約 23 eV と約 20 eV で最も高い R ピークを示します。 30 GPa の圧力下では、両方の化合物の R はエネルギーゼロで 20% に急増します。 圧力を加えると、ほぼ全エネルギー領域にわたって両方の材料の R が増加します。 ただし、低エネルギー領域での相対的に低い R (圧力の適用の有無にかかわらず) は、太陽電池用途における両方の化合物の可能性を示しています。 さらに、高エネルギー領域では R がより高いため、両方の化合物をコーティング材料として適用して、太陽熱加熱を最小限に抑える必要があります 51。

屈折率 (n) は、物質に入射する光の量を決定するために使用されます。 さらに、媒質中の電磁波の位相速度もｎで計算できる。 図9bによれば、両方の化合物のnは低エネルギーで顕著であり、高エネルギー領域では変動する性質を示します。 30 GPa の圧力が適用されると、両方の化合物の n は 0 eV で大幅に増加します。 これは、AGeF3 (A = K、Rb) がフォトニック結晶や導波路などの光学デバイスに好ましいことを意味します52。

誘電関数は、入ってくる電磁放射線と材料の相互作用を特徴付けます。 結果として、光電子デバイス用途における誘電機能についての知識を持っていることが重要です。 AGeF3（A = K、Rb）の誘電関数の実数部（ε1）と虚数部（ε2）をそれぞれ図9c、dに示します。 静的誘電関数 ε1 (0) は、光電子デバイスの効率を測定する重要な量です 15。 ε1 (0) が大きい材料は電荷再結合速度が低くなり、その結果、光電子デバイスの性能が向上します 52。 大気圧では、両方の化合物は同じ ε1 低エネルギーを示し、赤外〜可視領域で増加し、紫外領域に入ると減少します。 さらに、KGeF3 と RbGeF3 は両方とも、それぞれ約 22 ～ 24 eV から約 18 ～ 22 eV の範囲のエネルギーで負の ε1 を示します。 これは、化合物がそのエネルギー領域で高い反射率を示すことを意味しており、これは図9aで明らかです。 30 GPa の圧力を加えると、電荷の再結合が減少するため ε1 (0) が著しく増加し、化合物が光電子デバイスの用途にさらに適したものになります。 0 GPa では、ε2 は可視領域および初期紫外領域でより高く、その領域での高い吸収が伝わります 53。 しかし、ε2 のスペクトルは高圧では低エネルギー領域にシフトします。 具体的には、低エネルギー領域でのより大きな ε1 および ε2 と、高エネルギー領域でのより小さな ε1 および ε2 は、マイクロエレクトロニクスおよび集積回路における両方の化合物の実現可能性を明らかにしており、その優位性は圧力下で大幅に強化されます。

弾性定数 (Cij) は通常、材料の構造安定性と機械的特性を決定するために使用されます。 弾性の性質は、材料が張力を受けてどのように変形し、荷重が取り除かれると回復して元の形状に戻るかを表します。 隣接する原子面間の結合特性、異方性の性質、構造安定性に関する情報を明らかにすることが重要です54。 立方晶系化合物には、C11、C12、および C44 の 3 つの独立した弾性定数があります。 表 3 に、加圧下でのこれら 2 つの化合物の計算された C11、C12、C44、およびコーシー圧力 (C12 − C44) を示します。 周囲圧力での弾性定数は報告された研究20と同等ですが、圧力が増加するにつれて直線的に増加します（図S5a）。 よく知られている Born の安定性要件 (C44 > 0、C11 − C12 > 0、および C11 + 2C12 > 0)55 は、計算されたすべての弾性定数とうまく一致しているため、研究した両方の化合物は、圧力が加えられた状態でも機械的に安定しています。 さらに、C12 〜 C44 は材料の脆性と延性を識別できます。 C12 − C44 が正 (負) の値を持つ場合、材料は延性 (脆性) である必要があります 56。 したがって、標記化合物は正の値の C12 〜 C44 を持つため延性があると予想されます (表 3)。 ただし、KGeF3 は RbGeF3 よりもわずかに延性が優れています (表 3)。

AGeF3 の体積弾性率 (B)、せん断弾性率 (G)、ヤング率 (E)、ポアソン比 (v)、ピュー比 (B/G)、ツェナー異方性指数 (A) などのさまざまな重要な機械的特性 (A) = K, Rb) は、推定された Cij を使用して決定され、入手可能な報告データとともに表 4 に示されています20。 B と G は、Voigt-Reuss スキームを使用して決定されます。 Voigt 係数と Reuss 係数は、それぞれ有効係数の上限と下限を表します。 立方格子の場合、フォークト体積弾性率 (BV) とフォークトせん断弾性率 (GV)、ロイス体積弾性率 (BR) とロイスせん断弾性率 (GR) はよく知られた式で記述されます 57,58。 ヒルの理論 59 によれば、B と G はフォークトとロイスの式の算術平均です。 さらに、E と v は、他の場所で報告されている方程式によって提供されます59。 B と G はそれぞれ耐破壊性と塑性変形を表します。 RbGeF3 は、B と G が大きいため、KGeF3 よりも破壊耐性と塑性変形耐性が高くなります（図 S5b）。 E は材料の剛性の尺度であり、比例関係にあります。 結果として、RbGeF3 は KGeF3 よりも硬くなります。 ただし、圧力を加えると、圧力なしでコンパウンドが示すものよりも破壊や塑性変形に対する抵抗が増加し、剛性が高くなります。 加えられた圧力下での弾性率の変化を図S5bにグラフで表します。

材料の延性または脆性を区別するための v の臨界値は 0.2660 です。 v が 0.26 より大きい場合、材料は延性があると言われます。 したがって、KGeF3 と RbGeF3 は両方とも延性材料であると結論付けられます (表 4)。 もう 1 つの重要な特徴は B/G で、固体材料を延性か脆性に分けるために重要な値は 1.75 です61。 B/G の計算値は、両方の化合物の延性挙動も明らかにします (表 4)。 ただし、KGeF3 の延性は RbGeF3 よりわずかに高くなります。 研究対象の化合物の 0 GPa での延性は以前に予測されており 20、この研究と一致しています。 図１、２から見た。 S6a、b では、v と B/G の両方がそれぞれ圧力の増加とともに増加します。これは、圧力下で研究された化合物のより延性の性質を示します。 興味深いことに、v と B/G の結果は C12 〜 C44 のデータと完全に類似しています (表 3、4)。

応用工学では、これらの特徴に対する弾性異方性の影響を観察できることが重要です62。 システムの特性は方向に依存する可能性があり、その計算には異方性指数が使用されます。 たとえば、せん断異方性係数は、異なる結晶面に沿った原子の結合強度の異方性の程度を決定するために利用されます。 3 つのせん断異方性係数 A1、A2、および A3 が、それぞれ (100)、(010)、および (001) 面に沿って見つかりました63。 立方晶系の場合、これらはツェナー異方性係数 (A) に似ており、経験式 64 によって決定できます。 等方性材料は A の単位値を持つ必要があり、1 からの逸脱は異方性を示します 65。 どちらの化合物も異方性を示し、圧力下で強化されます (表 4)。 ただし、KGeF3 は KGeF3 と比較してより大きな異方性を示します。 図10a〜cは、KGeF3とRbGeF3の異方性特性を強調するために、それぞれ0および30 GPaの圧力におけるE、G、およびvの方向依存性を示しています。 の等方性は球面の 3D プロットで表され、異方性は非球面のプロットで示されます 7。 非球形の 3D 等高線プロットで示されるように、研究されたペロブスカイトの弾性異方性はあらゆる方向に現れます。 球面プロットの偏差は、0 GPa の圧力で示されるものよりも 30 GPa の圧力でより極端であり、加えられた圧力が AGeF3 (A = K、Rb) の異方性を促進する可能性があることを示しています。

0 および 30 GPa の圧力における、AGeF3 (A = K、Rb) の (a) ヤング率、(b) せん断弾性率、および (c) ポアソン比の異方性 3D 表示。

静水圧下における無鉛ハロゲン化物ペロブスカイトAGeF3 (A = K, Rb)の物理的特性をDFTを使用して調査しました。 格子定数とセルの体積は、利用可能な研究との類似性を示していますが、圧力を加えると減少します。 圧力が増加するとバンドギャップが大幅に狭まり、その結果光学機能が向上し、化合物が太陽電池用途に適したものになります。 化合物内のイオン/共有結合も圧力下でより強くなります。 どちらの化合物も、コーシー圧力、ポアソン比、ピュー比によって決定されるように、大気圧で延性を示します。 圧力効果により、コンパウンドの延性が高まります。 両方の化合物の異方性の性質は、延性と同様の性質を示します。 最後に、この文献はペロブスカイト太陽電池の改良とその将来の応用に新たな光を当てることが期待できます。

現在の計算は、密度汎関数理論 (DFT)66 に基づいた Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) によって実行されます。 CASTEP コード67では、軌道形状の近似は考慮されていません。 化合物 KGeF3 と RbGeF3 はまだ合成されていませんが、それらの結晶構造は、理論的研究によって決定された報告された結晶学的データを利用して構築されています 20。 Houari ら 20 は、両方の化合物が空間群 Pm-3m (#221) を持つ立方晶ペロブスカイト型構造を持ち、格子定数が KGeF3 と RbGeF3 でそれぞれ 4.46 Å と 4.49 Å である可能性があると予測しました。 交換相関効果を実行するには、一般化勾配近似 (GGA) と Perdew-Berke-Emzerhof (PBE) 汎関数を組み合わせたものが選択されます 68。 電子 - イオン相互作用を評価するには、ヴァンダービルト型のウルトラソフト擬ポテンシャルが選択されます69。 カットオフエネルギーは、12 × 12 × 12 の k 点グリッドに従って 900 eV です。ブリルアン ゾーンをサンプリングするには、モンホースト パック スキーム 70 が考慮されます。 収束許容係数は、総エネルギーについては 5 × 10-6 eV/原子、最大変位については 5 × 10-4 Å、最大力については 0.01 eV/Å、最大応力については 0.02 GPa に設定されています。 Broyden-Fletcher-Goldferb-Shanno (BFGS) アルゴリズム 71 を使用して結晶構造を最適化します。 比較的同様の近似は、実験的に合成された鉛ベースおよび無鉛立方晶ハロゲン化物ペロブスカイトの結晶構造を最適化するためにも採用されました 39,72,73,74。 この研究では、構造最適化中に 10 GPa 間隔で最大 30 GPa の静水圧を加えます。 最適化された結晶構造は VESTA ソフトウェア 75 によって構築されます。 電子的および光学的特性は、構造の最適化で利用されるのと同じパラメーターを使用して計算されます。 弾性定数と弾性係数は、CASTEP コードに組み込まれている「応力 - ひずみ」法 76 によって決定されます。 ELATE プログラム 77 は、ヤング率、せん断弾性率、およびポアソン比の 3 次元 (3D) 異方性等高線図を作成するために使用されます。

この研究で生成および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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カンダカー・モノワー・ホサイン

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MSA: 調査、方法論、データのキュレーション、原案の作成。 MS: 形式的な分析、概念化、原案の作成、監修、レビュー、編集。 AB、TA、AS: 正式な分析、データのキュレーション。 KMH: 正式な分析、検証、原案の作成、監修、レビュー、編集。

Md Saiduzzaman または Khandaker Monower Hossain への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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アラム、MS、サイドゥッザマン、M.、ビスワス、A. 他。 オプトエレクトロニクス用途を改善するために、圧力下でバンドギャップを調整し、AGeF3 (A = K、Rb) の光学機能を強化します。 Sci Rep 12、8663 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4

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受信日: 2022 年 2 月 18 日

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公開日: 2022 年 5 月 23 日

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