Abstimmung der Bandlücke und Verbesserung der optischen Funktionen von AGeF3 (A = K, Rb) unter Druck für verbesserte optoelektronische Anwendungen

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8663 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die aktuelle Studie analysiert sorgfältig die physikalischen Eigenschaften von Halogenid-Perowskiten AGeF3 (A = K, Rb) unter hydrostatischem Druck unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie. Ziel dieser Forschung ist es, die elektronische Bandlücke von AGeF3 (A = K, Rb) unter Druck zu verringern, um die optischen Eigenschaften zu verbessern und die Eignung der Verbindungen für optoelektronische Anwendungen zu beurteilen. Die Strukturparameter weisen ein hohes Maß an Präzision auf, was gut mit zuvor veröffentlichten Arbeiten korreliert. Darüber hinaus nehmen die Bindungslänge und die Gitterparameter deutlich ab, was zu einer stärkeren Wechselwirkung zwischen Atomen führt. Die Bindung zwischen K(Rb)-F und Ge-F weist ionischen bzw. kovalenten Charakter auf und die Bindungen werden unter Druck stärker. Die Anwendung von hydrostatischem Druck zeigt bemerkenswerte Veränderungen in der optischen Absorption und Leitfähigkeit. Mit zunehmendem Druck wird die Bandlücke kleiner, was zu einer besseren Leitfähigkeit führt. Die optischen Funktionen lassen auch darauf schließen, dass die untersuchten Materialien in einer Vielzahl optoelektronischer Geräte verwendet werden könnten, die im sichtbaren und ultravioletten Spektrum arbeiten. Interessanterweise eignen sich die Verbindungen besser für den Einsatz in optoelektronischen Anwendungen unter Druck. Darüber hinaus hat der äußere Druck einen großen Einfluss auf das mechanische Verhalten der genannten Perowskite, wodurch sie duktiler und anisotroper werden.

Kubische Perowskite erfreuen sich in den letzten Jahren großer Beliebtheit bei Forschern und Wissenschaftlern. Die vielseitige Anwendbarkeit dieser Perowskite in verschiedenen Bereichen, z. B. Halbleiter, Sensoren, Supraleitung, Photovoltaikzellen, optoelektronische Geräte und LEDs (lichtemittierende Geräte)1,2,3 rückt sie in den Mittelpunkt der Aufmerksamkeit. Infolgedessen führten die Forscher sowohl experimentelle als auch theoretische Studien4,5,6,7 zum physikalischen Verhalten von Perowskit-Materialien durch, um neue Möglichkeiten für ihre Anwendungen in verschiedenen optoelektronischen Bereichen zu schaffen. Interessanterweise wurde die Verbesserung von Perowskit-Solarzellen (PSCs) beschleunigt, was zu einem Leistungsumwandlungswirkungsgrad (PCE) von 22,1 %8 führte. Bisher wurde der beste PCE-Wert von 25,2 % für Pb-basierte Perowskit-Solarzellen verzeichnet9, haben aber aufgrund von Feuchtigkeit, Feuchtigkeit, Temperatur und UV-Licht10 eine kürzere Lebensdauer. Andererseits zeigte der bleifreie Zinnhalogenid-Perowskit mit Ethylammoniumiodid einen PCE von ~ 13 %11. In der Anfangsphase wurden organische PSCs auf metallischer Pb2+-Basis, d. h. CH3NH3PbI3 (oder MAPbX3), entwickelt12,13,14. Doch die Toxizität dieser organischen Verbindungen brachte große Nachteile mit sich. Pb ist ein anerkannter Giftstoff, der eine Reihe von Hindernissen mit sich bringt15. Darüber hinaus verursachen organische MA+-Kationen schwerwiegende Umweltschäden, wodurch der Herstellungsprozess äußerst riskant und schädlich ist16. Um die Toxizität aufzuheben, wurde das Pb2+-Kation durch ungiftige Kationen wie Ge2+ und Sn2+ ersetzt und/oder das organische Gegenstück wurde durch K+-, Rb+- und Cs+-Kationen ersetzt15,17,18,19. Daher ist eine neue Formation von ABX3 aufgetreten, in der A, B und C das einwertige Kation, das zweiwertige Kation bzw. das Halogenanion bezeichnen. Anorganische Perowskite auf Ge-Basis haben sich als mögliche Alternative zu Pb herausgestellt, da sie im Vergleich zu Perowskiten auf Pb-Basis eine bessere optische Absorption und Leitfähigkeit aufweisen20. Bei Umgebungstemperatur zeigen Ge-basierte Perowskite keine Phasenumwandlung21,22. Darüber hinaus haben K und Rb ein vielversprechendes Potenzial für Photovoltaikanwendungen gezeigt23. Jain et al.24 haben die First-Principle-Berechnungen für RbSn(Cl,Br)3-Perowskite genutzt, um eine ausgeprägte Bandlücke zu ermitteln, die für die Photovoltaik geeignet ist. Die auf dem einwertigen Kation K+ basierenden Perowskite haben aufgrund der hohen Absorption und der konfigurierbaren Bandlücke Potenzial für den Einsatz in Solarzellen20,22,25. In jüngsten Studien wurden die anorganischen Halogenid-Perowskite als zuverlässiges Material für Solarzellenanwendungen erkannt25,26. Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Halogenidperowskiten hat die Anwendung von hydrostatischem Druck enorme Ergebnisse gezeigt27,28,29,30,31,32. Normalerweise verändert der hydrostatische Druck die Gitterparameter33, die Verschiebung von Kationen und Anionen34,35, die Rotation oktaedrischer Käfige36, Phasenübergänge37,38 usw. Bei Metallhalogeniden nehmen strukturelle Eigenschaften wie Gitterkonstanten und Elementarzellenvolumen mit zunehmendem Druck ab29 ,32. Identisches Verhalten kann auch bei Halogenid-Perowskiten festgestellt werden. In neueren Arbeiten wurde bei anorganischen Halogenidperowskiten wie KCaCl339, CsGeI330, RbYbF340 und CsGeI341 eine Verringerung der Bandlücke unter hydrostatischem Druck gezeigt, was zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit führte. Darüber hinaus können durch die Anwendung von Druck die optischen Parameter von Halogenid-Perowskiten deutlich verbessert werden, wodurch die Funktionalität in optoelektronischen Feldern verbessert wird. Das Motiv der vorliegenden Arbeit besteht daher darin, die Veränderungen verschiedener physikalischer Eigenschaften von Halogenidperowskiten AGeF3 (A = K, Rb) nach Anwendung von hydrostatischem Druck zu bewerten und zu untersuchen. Genauer gesagt wurden in dieser Studie die strukturellen, elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften von AGeF3 (A = K, Rb) mithilfe von First-Principle-Berechnungen analysiert, um festzustellen, ob die Anwendung von hydrostatischem Druck sie für optoelektronische Felder attraktiver gemacht hat oder nicht.

Die Geometrieoptimierung besagt, dass die ausgewählten untersuchten Verbindungen AGeF3 (A = K, Rb) in kubischen Zellen mit der Raumgruppe Pm-3m (#221) kristallisierten. In der Elementarzelle befinden sich die Atome A (= K, Rb), Ge und F an der Ecke, der Körpermitte bzw. der Flächenmitte mit den Wyckoff-Positionen 1a (0, 0, 0), 1b (0,5). , 0,5, 0,5) bzw. 3c (0, 0,5, 0,5). Die optimierte Kristallstruktur von AGeF3 (A = K, Rb) mit kristallographischen Stellen ist in Abb. 1 dargestellt. Die bewertete Gitterkonstante von KGeF3 bei Umgebungsdruck beträgt 4,451 Å (Tabelle 1), was relativ näher an der Referenzstudie (4.46) liegt Å)20. Der Abweichungswert von 0,2 % zeigt die hohe Genauigkeit dieser Studie. Für RbGeF3 beträgt die Gitterkonstante 4,490 Å (Tabelle 1), was keine Abweichung von der vorherigen Arbeit (4,49 Å) zeigt20. Auf beide Verbindungen wird ein hydrostatischer Druck im Bereich von 0 bis 30 GPa ausgeübt, um die in Tabelle 1 angegebenen Strukturparameter zu berechnen. Die Anwendung von Druck zeigt einen signifikanten Einfluss auf die Strukturparameter. Die Änderungen der relativen Gitterkonstanten und des Elementarzellenvolumens in Bezug auf den hydrostatischen Druck sind in Abb. S1a bzw. b dargestellt. Die aufgetragenen Diagramme zeigen die Verringerung sowohl der Gitterkonstante als auch des Elementarzellenvolumens bei linearem Anstieg des ausgeübten Drucks. Diese abnehmende Tendenz der Gitterparameter unter hydrostatischem Druck weist auf eine Verringerung der Bindungslänge (Tabelle 2) innerhalb der Verbindungen hin. Um die Phasenstabilität von AGeF3 (A = K, Rb) unter Druck zu rechtfertigen, wird die Bildungsenergie (ΔEf) mithilfe der folgenden Gleichung berechnet und in Tabelle 1 aufgezeichnet.

Hier sind Es(A), Es(Ge) und Es(F) die Energie der Atome A (= K, Rb), Ge und F, während Etot(AGeF3) die Gesamtenergie der Elementarzelle darstellt AGeF3 und N ist die Anzahl der Atome in der Elementarzelle. Die negativen Werte von ΔEf bei allen angewandten Drücken zeigen die thermodynamische Stabilität der Titelhalogenidsysteme42.

Die optimierte Kristallstruktur der Halogenidperowskite KGeF3 und RbGeF3.

Die Beurteilung der elektronischen Natur eines Materials erfordert das Verständnis seiner Bandstruktur und Zustandsdichte. Die Bandstrukturen von KGeF3 und RbGeF3 bei verschiedenen angelegten Drücken sind in den Abbildungen dargestellt. 2 bzw. 3. Die horizontale gepunktete Linie bei 0 eV bezeichnet das Fermi-Niveau (EF). Bei 0 GPa sind das Valenzbandmaximum (VBM) und das Leitungsbandminimum (CBM) beider Verbindungen, angezeigt durch grüne bzw. rote Linien, am R-Punkt der Brillouin-Zone zu erkennen. Daher wird für KGeF3 eine direkte Bandlücke (Eg) von 1,98 eV gefunden, während sie für RbGeF3 2,012 eV beträgt. Die für AGeF3 (A = K, Rb) gefundenen Eg-Werte stimmen weitgehend mit den theoretischen Werten überein, die mit der GGA-PBE-Näherung erhalten wurden19. Mit zunehmendem Druck beginnen sich die CBM beider Verbindungen in Richtung EF zu bewegen, was zu einer Verringerung von Eg führt. Bei 30 GPa sinkt der Eg von KGeF3 auf 0,16 eV, während er für RbGeF3 0,26 eV beträgt. Die Reduzierung von Eg unter Druck für beide Verbindungen ist in Abb. S2 grafisch dargestellt. Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Bandlücke und äußerem Druck43, die das Potenzial zwischen Elektron und Ion erhöhen kann, was für die Reduzierung der Gitterparameter verantwortlich ist (Tabelle 1). Die Bandlücke am Symmetriepunkt der Brillouin-Zone schrumpft, wenn der Gitterparameter reduziert wird. Die Reduktion von Eg ermöglicht den einfachen Transport von Elektronen vom Valenzband zum Leitungsband. Dadurch können die optische Absorption und Leitfähigkeit höher werden, was für optoelektronische Anwendungen vorteilhaft ist.

Bandstrukturen von KGeF3 unter Druck.

Bandstrukturen von RbGeF3 unter angelegtem Druck.

Darüber hinaus wird die Gesamtzustandsdichte (TDOS) von AGeF3 (A = K, Rb) berechnet und in Abb. S3a, b dargestellt, um die Bandstrukturen zu erläutern. Die vertikale gestrichelte Linie bei 0 eV bezeichnet den EF. Für beide Verbindungen wird unter allen angewandten Drücken kein TDOS-Wert bei EF beobachtet, was auch ihre halbleitende Natur widerspiegelt. Es gibt einen erheblichen Druckeinfluss auf TDOS im Leitungsband, wo sich alle scharfen Spitzen mit steigendem Druck allmählich in Richtung EF bewegen. Diese Peakverschiebung ist dafür verantwortlich, dass die Bandlücke unter Druck schrumpft, was auch in den Bandstrukturen am R-Punkt auftritt. Die partielle Zustandsdichte (PDOS) ist jedoch entscheidend, um den atomaren Beitrag eines Materials zur Bildung seiner Bandstruktur zu ermitteln. Es ist aus den Abbildungen ersichtlich. Aus den Abbildungen 4 und 5 geht hervor, dass das Valenzband beider Verbindungen in der Nähe des EF hauptsächlich von Ge-4s- und F-2p-Orbitalen mit einem geringen Anteil an Ge-4p-Orbitalen stammt. Andererseits resultiert das Leitungsband aus den Zuständen K-4s (Rb-5s), K-4p (Rb-4p), Ge-4s, Ge-4p und F-2p. Es ist offensichtlich, dass das Ge-4p-Orbital hauptsächlich für die Einengung des Eg in beiden Verbindungen verantwortlich ist. Die Hybridisierung zwischen Ge-4p und F-2p wird durch Erhöhung des äußeren Drucks gefördert, wodurch die Leitungsbänder in Richtung EF angehoben und die Bandlücke verringert werden. Darüber hinaus könnte die Verkürzung der Ge-F-Bindungslänge als Reaktion auf Druck (Tabelle 2) die Hybridisierung zwischen Ge-4p- und F-2p-Orbitalen im Leitungsband verbessern, was die CBM am R-Punkt der Brillouin-Zone senkt (Abb. 2, 3). Daher verringert sich die Bandlücke von KGeF3 (RbGeF3) von 1,98 (2,012 eV) auf 0,16 eV (0,26 eV).

Partielle Zustandsdichte von KGeF3 unter angelegtem Druck.

Partielle Zustandsdichte von RbGeF3 unter angelegtem Druck.

Die Ladungsdichtekartierung hilft, die Ladungsverteilung um Atome und die Bindungsnatur der Verbindungen zu visualisieren. Die Abbildungen 6 und 7 veranschaulichen die Ladungsdichtekartierung von AGeF3 (A = K, Rb) entlang der kristallographischen Ebenen (100) und (200). Die Skalen auf der rechten Seite geben die Elektronendichte an, wobei niedrige bzw. hohe Intensität durch blaue bzw. rote Farben verliehen wird. Bei Umgebungsdruck weisen K(Rb)- und F-Atome kugelförmige Ladungskonturen entlang der (100)-Ebene auf, was auf die Existenz einer Ionenbindung zwischen ihnen hinweist (Abb. 6a, 7a). Darüber hinaus wird eine kovalente Bindungsnatur von Ge-F vorhergesagt, da die elliptische Form der Ladungsverteilung um Ge- und F-Atome entlang der (200)-Ebene beobachtet wird (Abb. 6b, 7b). Die Ladungsdichte wird auch bei einem angelegten Druck von 30 GPa geschätzt, um den Einfluss des Drucks auf die Ladungsverteilung zu verstehen. Es gibt keinen merklichen Unterschied in den sphärischen Ladungskonturen um K(Rb)- und F-Atome entlang der (100)-Ebene (Abb. 6c, 7c). Allerdings werden die Konturen um Ge- und F-Atome entlang der (200)-Ebene elliptischer, was die kovalente Bindung von Ge-F verstärkt (Abb. 6d, 7d). Die Bindungslänge von Ge-F ist länger als die von K(Rb)-F (Tabelle 1), was auf eine stärkere Bindung zwischen K(Rb)- und F-Atomen als zwischen Ge- und F-Atomen hinweist. Daher sind in der Kristallstruktur von AGeF3 (A = K, Rb) die schwächere kovalente Bindung von Ge-F und die stärkere ionische Bindung von K(Rb)-F zu sehen, was die durch Ladungsdichtekarten vorhergesagten geschätzten Ergebnisse bestätigt. Die Bindungslänge nimmt mit steigendem Druck monoton ab (Abb. S4a,b) und daher werden die ionischen/kovalenten Bindungen stärker.

Ladungsdichtediagramme von KGeF3 bei 0 GPa und 30 GPa Druck.

Ladungsdichtediagramme von RbGeF3 bei 0 GPa und 30 GPa Druck.

Metallhalogenide ohne Blei (ungiftig) erregen aufgrund ihrer hervorragenden optischen Eigenschaften großes Interesse. Sie zeigen eine sehr geschätzte Leistung in optoelektronischen Geräten und Photovoltaikzellen. In diesem Abschnitt werden einige optische Eigenschaften eingehend analysiert und erörtert, nämlich Absorption, Leitfähigkeit, Reflexionsvermögen, Reflexionsindex und dielektrische Funktion. Die Ergebnisse werden unter Verwendung eines elektronischen Polarisationsvektors von [100] bei Drücken von 0 GPa und 30 GPa dargestellt.

Es ist notwendig, die dielektrische Funktion zu bestimmen, um die restlichen optischen Funktionen zu erhalten44. Es kann dargestellt werden als ε(ω) = ε1(ω) + iε2(ω); wobei ε1(ω) und ε2(ω) den Real- bzw. Imaginärteil der dielektrischen Funktion bezeichnen45. Gemäß der Kramers-Kronig-Beziehung46 wird ε1(ω) geschrieben als:

Andererseits kann ε2(ω) auch unter Verwendung der Impulstensoren zwischen den besetzten und unbesetzten Wellenfunktionen47,48 berechnet werden.

Dabei bezeichnet ω die Lichtfrequenz. \({\psi }_{k}^{c}\) und \({\psi }_{k}^{V}\) bezeichnen die Leitungs- bzw. Valenzbandwellenfunktion bei k, e ist die elektronische Ladung, Ω stellt das Elementarzellenvolumen dar und U gibt den Einheitsvektor entlang der Polarisation des einfallenden elektrischen Feldes an. Die Delta-Funktion gewährleistet die Energie- und Impulserhaltung während eines Übergangs zwischen besetzten und unbesetzten elektronischen Zuständen durch die Emission oder Absorption von Photonenenergie E. \({E}_{K}^{C}\) und \({E}_ {K}^{V}\) bezeichnen die Energie der Elektronen bei einem bestimmten k-Vektor im Leitungs- bzw. Valenzband. Die restlichen optischen Parameter werden anhand der an anderer Stelle angegebenen Ausdrücke berechnet49.

Der optische Absorptionskoeffizient (α) bezeichnet die Energiemenge, die ein Stoff pro Längeneinheit absorbiert. Die Effizienz der optimalen Solarenergieumwandlung eines Materials lässt sich damit einfach beschreiben. Aus Abb. 8a geht hervor, dass die Absorption nicht bei 0 eV beginnt, da sowohl KGeF3 als auch RbGeF3 bei Umgebungsdruck eine Bandlücke aufweisen. Im ultravioletten Bereich zeigen KGeF3 und RbGeF3 drei scharfe Peaks im Bereich von ~ 8–22 eV bzw. ~ 8–18 eV. Beide Verbindungen wirken also als gute Absorber im ultravioletten Bereich bei 0 GPa. Wenn ein Druck von 30 GPa ausgeübt wird, zeigen beide Verbindungen auch Peaks im ultravioletten Bereich, die denen bei 0 GPa ähneln. In diesem Fall zeigen beide Verbindungen einen zusätzlichen Peak bei ~ 15 eV. Interessanterweise beginnen die Absorptionsspektren fast bei 0 eV (aber nicht bei 0 eV, da die Bandlücke sehr klein ist) bei 30 GPa (Einschub in Abb. 8a). Die Absorption im sichtbaren Lichtbereich ist in Abb. 8b explizit dargestellt. Die Absorption beider Verbindungen im sichtbaren Bereich ist bei 30 GPa deutlich höher als bei 0 GPa. Infolgedessen wird erwartet, dass die untersuchten Perowskite sichtbare Lichtenergie für die photovoltaische Umwandlung bei einem Druck von 30 GPa nutzen und so möglicherweise die Effizienz von Solarzellen steigern.

Berechnete druckinduzierte optische (a) Absorption vs. Energie, (b) Absorption vs. Wellenlänge, (c) Leitfähigkeit vs. Energie und (d) Leitfähigkeit vs. Wellenlänge von AGeF3 (A = K, Rb).

Photoleitfähigkeit ist ein anderer Begriff für die optische Leitfähigkeit (σ). Es bezieht sich auf die Leitfähigkeit von Photonen in einer Substanz50. Abbildung 8c zeigt das σ von AGeF3 (A = K, Rb) bei Drücken von 0 GPa und 30 GPa. Bei 0 GPa weisen die Perowskite σ im sichtbaren Bereich auf. Das σ erreicht seinen Maximalwert bei negativem ε1(ω) (Abb. 9c). Daher zeigen KGeF3 und RbGeF3 ein maximales σ im Energiebereich ~ 22–24 eV bzw. ~ 18–22 eV. Bei 30 GPa zeigen beide Verbindungen ein erhöhtes σ im sichtbaren Bereich (Abb. 8d). Genau wie bei 0 GPa liegt der höchste σ-Peak von KGeF3 im Energiebereich ~ 22–24 eV. Der höchste σ-Peak verschiebt sich jedoch leicht in den Energiebereich ~ 19–21 eV für RbGeF3. Allerdings steigt der σ beider Verbindungen im sichtbaren Bereich unter Druck aufgrund der erhöhten Absorption deutlich an, wie in Abb. 8d zu sehen ist.

Berechnete druckinduzierte Spektren von optischem (a) Reflexionsvermögen, (b) Brechungsindex, (c) Realteil der dielektrischen Funktion und (d) Imaginärteil der dielektrischen Funktion von AGeF3 (A = K, Rb).

Das Reflexionsvermögen (R) ist ein entscheidendes optisches Merkmal für photovoltaische Anwendungen des Materials. KGeF3 und RbGeF3 reflektieren etwa 10 % des einfallenden Lichts, wenn sie Photonen mit sehr geringer Energie ausgesetzt werden (Abb. 9a). Bei beiden Stoffen steigt sie beim Übergang vom Infrarot- in den sichtbaren Bereich an. Nach dem Übergang in den ultravioletten Bereich weisen KGeF3 und RbGeF3 ihren höchsten R-Peak bei ~ 23 eV und ~ 20 eV auf, wo der Realteil der dielektrischen Funktion negativ ist. Unter einem Druck von 30 GPa steigt der R beider Verbindungen bei Nullenergie auf 20 %. Die Anwendung von Druck erhöht den R beider Materialien in nahezu gesamten Energiebereichen. Der relativ niedrigere R (mit oder ohne Anwendung von Druck) im Niedrigenergiebereich weist jedoch auf das Potenzial beider Verbindungen für Solarzellenanwendungen hin. Darüber hinaus sollten beide Verbindungen aufgrund ihres höheren R im Hochenergiebereich als Beschichtungsmaterial verwendet werden, um die Sonnenerwärmung zu minimieren.

Der Brechungsindex (n) wird verwendet, um die Menge des Lichts zu bestimmen, das beim Eintritt in eine Substanz gebeugt oder gebrochen wird. Darüber hinaus lässt sich mit n auch die Phasengeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in einem Medium berechnen. Gemäß Abb. 9b ist das n beider Verbindungen bei niedriger Energie ausgeprägt und zeigt im Hochenergiebereich eine schwankende Natur. Wenn ein Druck von 30 GPa ausgeübt wird, erhöht sich der n-Wert beider Verbindungen bei 0 eV deutlich. Dies impliziert, dass AGeF3 (A = K, Rb) für optische Geräte wie photonische Kristalle und Wellenleiter vorzuziehen sein sollte52.

Die dielektrische Funktion charakterisiert die Wechselwirkung eines Materials mit einfallender elektromagnetischer Strahlung. Daher ist es wichtig, Kenntnisse über die dielektrische Funktion für optoelektronische Geräteanwendungen zu haben. Der Realteil (ε1) und der Imaginärteil (ε2) der dielektrischen Funktion von AGeF3 (A = K, Rb) sind in Abb. 9c bzw. d dargestellt. Die statische dielektrische Funktion ε1 (0) ist eine wichtige Größe, die die Effizienz eines optoelektronischen Geräts misst15. Ein Material mit einem größeren ε1 (0) weist eine geringere Ladungsrekombinationsrate auf, was zu einer verbesserten Leistung optoelektronischer Geräte führt52. Bei Umgebungsdruck weisen beide Verbindungen eine identische niedrige Energie ε1 auf, die im infrarot-sichtbaren Bereich zunimmt und beim Eintritt in den ultravioletten Bereich abnimmt. Darüber hinaus zeigen sowohl KGeF3 als auch RbGeF3 ein negatives ε1 bei Energien im Bereich von ~ 22 bis 24 eV bzw. ~ 18 bis 22 eV. Dies impliziert, dass die Verbindungen in diesem Energiebereich ein hohes Reflexionsvermögen aufweisen, was in Abb. 9a deutlich wird. Wenn ein Druck von 30 GPa ausgeübt wird, erhöht sich ε1 (0) aufgrund der geringeren Ladungsrekombination deutlich, was die Verbindungen noch besser für Anwendungen in optoelektronischen Geräten geeignet macht. Bei 0 GPa ist ε2 im sichtbaren und frühen ultravioletten Bereich höher, was auf eine hohe Absorption in diesen Bereichen hinweist53. Aber das Spektrum von ε2 verschiebt sich bei hohem Druck in den Bereich niedriger Energie. Insbesondere die größeren ε1 und ε2 bei niedriger Energie zusammen mit kleineren ε1 und ε2 bei hohen Energiebereichen verdeutlichen die Machbarkeit beider Verbindungen in der Mikroelektronik und in integrierten Schaltkreisen , und die Überlegenheit wird unter Druck erheblich verbessert.

Die elastischen Konstanten (Cij) werden üblicherweise zur Bestimmung der strukturellen Stabilität und der mechanischen Eigenschaften eines Materials verwendet. Die elastische Natur beschreibt, wie sich ein Material unter Belastung verformt, bevor es nach Wegnahme der Belastung wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Es ist wichtig, Informationen über die Bindungseigenschaften zwischen benachbarten Atomebenen, die anisotrope Natur und die strukturelle Stabilität54 zu erhalten. Eine kubische Verbindung hat drei unabhängige elastische Konstanten: C11, C12 und C44. Tabelle 3 listet den berechneten C11-, C12-, C44- und Cauchy-Druck (C12 − C44) für diese beiden Verbindungen unter Druck auf. Die elastischen Konstanten bei Umgebungsdruck sind vergleichbar mit der berichteten Studie20, steigen jedoch linear mit zunehmendem Druck an (Abb. S5a). Da die bekannten Born-Stabilitätsanforderungen (C44 > 0, C11 − C12 > 0 und C11 + 2C12 > 0)55 mit allen berechneten elastischen Konstanten gut übereinstimmen, sind beide untersuchten Verbindungen auch unter angelegtem Druck mechanisch stabil. Darüber hinaus kann C12 − C44 die Sprödigkeit und Duktilität von Materialien erkennen. Wenn C12 − C44 einen positiven (negativen) Wert besitzt, sollte das Material duktil (spröde) sein56. Daher ist zu erwarten, dass die Titelverbindungen duktil sind, da sie positive Werte für C12–C44 aufweisen (Tabelle 3). Allerdings ist KGeF3 etwas duktiler als RbGeF3 (Tabelle 3).

Verschiedene wesentliche mechanische Eigenschaften, wie Kompressionsmodul (B), Schermodul (G), Young-Modul (E), Poisson-Verhältnis (v), Pugh-Verhältnis (B/G) und Zener-Anisotropie-Index (A) von AGeF3 (A = K, Rb) werden anhand des geschätzten Cij bestimmt und in Tabelle 4 mit den verfügbaren gemeldeten Daten dargestellt20. B und G werden nach dem Voigt-Reuss-Schema bestimmt. Die Voigt- und Reuss-Koeffizienten beschreiben die Ober- bzw. Untergrenze des effektiven Moduls. Für kubische Gitter werden der Voigt-Volumenmodul (BV) und der Voigt-Schubmodul (GV) sowie der Reuss-Volumenmodul (BR) und der Reuss-Schubmodul (GR) durch die bekannten Ausdrücke57,58 beschrieben. Nach Hills Theorie59 sind B und G das arithmetische Mittel der Voigt- und Reuss-Ausdrücke. Darüber hinaus werden E und v durch die an anderer Stelle angegebenen Gleichungen bereitgestellt59. B und G stehen für Bruchfestigkeit bzw. plastische Verformung. Aufgrund der größeren B- und G-Werte ist RbGeF3 bruch- und plastischer Verformungsbeständiger als KGeF3 (Abb. S5b). E ist ein Maß für die Steifigkeit des Materials und hat einen proportionalen Zusammenhang. Infolgedessen ist RbGeF3 steifer als KGeF3. Die Anwendung von Druck führt jedoch zu einem höheren Widerstand gegen Bruch und plastische Verformung und macht sie steifer als die Verbindungen ohne Druck. Die Variation der Elastizitätsmodule unter ausgeübtem Druck ist in Abb. S5b grafisch dargestellt.

Der kritische Wert von v zur Unterscheidung der duktilen oder spröden Beschaffenheit eines Materials beträgt 0,2660. Ein Material heißt duktil, wenn v größer als 0,26 ist. Somit gelten sowohl KGeF3 als auch RbGeF3 als duktile Materialien (Tabelle 4). Ein weiteres wesentliches Merkmal ist B/G, dessen entscheidender Wert 1,75 ist, um feste Materialien in duktile oder spröde zu unterteilen61. Die berechneten Werte von B/G zeigen auch das duktile Verhalten beider Verbindungen (Tabelle 4). Allerdings ist die Duktilität von KGeF3 etwas höher als die von RbGeF3. Die Duktilität der untersuchten Verbindungen bei 0 GPa wurde bereits vorhergesagt20, was mit dieser Studie übereinstimmt. Es ist aus den Abb. zu sehen. S6a,b, dass sowohl v als auch B/G mit steigendem Druck ansteigen, was eine duktilere Natur der untersuchten Verbindungen unter Druck zeigt. Interessanterweise ähnelt das Ergebnis von v und B/G vollständig den Daten von C12 − C44 (Tabellen 3, 4).

In der angewandten Technik ist die Fähigkeit, den Einfluss der elastischen Anisotropie auf diese Merkmale zu beobachten, von entscheidender Bedeutung62. Die Eigenschaften eines Systems können richtungsabhängig sein und zur Berechnung wird der anisotrope Index verwendet. Beispielsweise wird der Scheranisotropiefaktor verwendet, um den Grad der Anisotropie in der Bindungsstärke von Atomen entlang verschiedener kristallographischer Ebenen zu bestimmen. Entlang der (100)-, (010)- und (001)-Ebene wurden drei Scheranisotropiefaktoren A1, A2 und A3 gefunden63. Für kubische Systeme ähneln diese dem Zener-Anisotropiefaktor (A) und können durch die empirische Formel64 ermittelt werden. Ein isotropes Material muss den Einheitswert A haben und die Abweichung von der Einheit bedeutet Anisotropie65. Beide Verbindungen weisen eine anisotrope Natur auf, die unter Druck verstärkt wird (Tabelle 4). Allerdings weist KGeF3 im Vergleich zu KGeF3 eine stärkere Anisotropie auf. Abbildung 10a–c zeigen die Richtungsabhängigkeit von E, G bzw. v bei einem Druck von 0 und 30 GPa, um den anisotropen Charakter von KGeF3 und RbGeF3 hervorzuheben. Die Isotropie wird durch die sphärischen 3D-Diagramme dargestellt, während die Anisotropie durch nicht-sphärische Diagramme dargestellt wird7. Die elastische Anisotropie der untersuchten Perowskite zeigt sich in allen Richtungen, wie aus den nicht-sphärischen 3D-Konturdiagrammen hervorgeht. Die Abweichung der sphärischen Diagramme ist bei einem Druck von 30 GPa extremer als bei einem Druck von 0 GPa, was zeigt, dass der angelegte Druck die Anisotropie von AGeF3 (A = K, Rb) fördern kann.

Anisotrope 3D-Darstellung von (a) Young-Modul, (b) Schermodul und (c) Poisson-Verhältnis von AGeF3 (A = K, Rb) bei 0 und 30 GPa Druck.

Die physikalischen Eigenschaften bleifreier Halogenid-Perowskite AGeF3 (A = K, Rb) unter hydrostatischem Druck werden mittels DFT untersucht. Die Gitterkonstante und das Zellvolumen weisen Ähnlichkeiten mit verfügbaren Studien auf, nehmen jedoch mit der Anwendung von Druck ab. Mit zunehmendem Druck verengt sich die Bandlücke erheblich, was zu verbesserten optischen Funktionen führt und die Verbindungen für Solarzellenanwendungen geeignet macht. Auch die ionischen/kovalenten Bindungen in den Verbindungen werden unter Druck stärker. Beide Verbindungen weisen bei Umgebungsdruck eine duktile Natur auf, die durch ihren Cauchy-Druck, das Poisson-Verhältnis und das Pugh-Verhältnis bestimmt wird. Durch die Druckeinwirkung werden die Verbindungen duktiler. Die anisotrope Natur beider Verbindungen zeigt eine ähnliche Natur wie die Duktilität. Abschließend ist zu erwarten, dass diese Literatur neues Licht auf die Verbesserung von Perowskit-Solarzellen und ihre zukünftigen Anwendungen werfen wird.

Die vorliegenden Berechnungen werden mit dem Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) durchgeführt und basieren auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT)66. Die Näherungen der Orbitalform werden im CASTEP-Code67 nicht berücksichtigt. Obwohl die Verbindungen KGeF3 und RbGeF3 noch synthetisiert werden müssen, wird ihre Kristallstruktur anhand der gemeldeten kristallographischen Daten konstruiert, die durch die theoretische Untersuchung ermittelt wurden20. Houari et al.20 sagten voraus, dass beide Verbindungen eine kubische Struktur vom Perowskit-Typ mit der Raumgruppe Pm-3m (#221) haben könnten und dass die Gitterkonstante 4,46 Å bzw. 4,49 Å für KGeF3 bzw. RbGeF3 beträgt. Zur Durchführung des Austausch-Korrelations-Effekts wird die verallgemeinerte Gradientennäherung (GGA) in Kombination mit der Perdew-Berke-Emzerhof-Funktion (PBE) gewählt68. Um die Elektron-Ionen-Wechselwirkung zu bewerten, wird das ultraweiche Pseudopotential vom Vanderbilt-Typ ausgewählt69. Die Grenzenergie beträgt 900 eV und folgt einem k-Punkt-Gitter von 12 × 12 × 12. Um die Brillouin-Zone abzutasten, wird das Monkhorst-Pack-Schema70 berücksichtigt. Die Konvergenztoleranzfaktoren sind auf 5 × 10–6 eV/Atom für die Gesamtenergie, 5 × 10–4 Å für die maximale Verschiebung, 0,01 eV/Å für die maximale Kraft und 0,02 GPa für die maximale Spannung festgelegt. Zur Optimierung der Kristallstruktur wird der Broyden-Fletcher-Goldferb-Shanno-Algorithmus (BFGS)71 eingesetzt. Die relativ ähnlichen Näherungen wurden auch verwendet, um die Kristallstruktur experimentell synthetisierter kubischer Halogenidperowskite auf Pb-Basis und Pb-frei zu optimieren39,72,73,74. In dieser Studie wird während der Strukturoptimierung ein hydrostatischer Druck von bis zu 30 GPa in Abständen von 10 GPa angewendet. Die optimierte Kristallstruktur wird mit der VESTA-Software75 erstellt. Die elektronischen und optischen Eigenschaften werden unter Verwendung derselben Parameter berechnet, die auch bei der Strukturoptimierung verwendet werden. Die elastischen Konstanten und Elastizitätsmodule werden durch die im CASTEP-Code enthaltene „Spannungs-Dehnungs“-Methode76 bestimmt. Das ELATE-Programm77 wird verwendet, um die dreidimensionalen (3D) anisotropen Konturdiagramme des Elastizitätsmoduls, des Schermoduls und der Poissonzahl zu erstellen.

Die in dieser Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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MD. Safin Alam, Md Saiduzzaman, Arpon Biswas, Tanjun Ahmed und Aldina Sultana

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Universität Rajshahi, Rajshahi, 6205, Bangladesch

Khandaker Monower Hossain

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MSA: Untersuchung, Methodik, Datenkuratierung, Verfassen des Originalentwurfs. MS: Formale Analyse, Konzeptualisierung, Verfassen des Originalentwurfs, Überwachung, Überprüfung und Bearbeitung. AB, TA, AS: Formale Analyse, Datenkuration. KMH: Formale Analyse, Validierung, Verfassen des Originalentwurfs, Überwachung, Überprüfung und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Md Saiduzzaman oder Khandaker Monower Hossain.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Alam, MS, Saiduzzaman, M., Biswas, A. et al. Abstimmung der Bandlücke und Verbesserung der optischen Funktionen von AGeF3 (A = K, Rb) unter Druck für verbesserte optoelektronische Anwendungen. Sci Rep 12, 8663 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4

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Eingegangen: 18. Februar 2022

Angenommen: 09. Mai 2022

Veröffentlicht: 23. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4

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