加速发现适用于近红外（λ = 1600 nm）光电探测器的高性价比光吸收材料

《ACS Materials Au》：Accelerated Discovery of Cost-Effective Photoabsorber Materials for Near-Infrared (λ = 1600 nm) Photodetector Applications

红外光吸收材料高通量筛选方法基于r2SCAN和HSE计算，识别出ZnSnAs?（实验带隙0.74 eV）、BaAgP（计算带隙0.64 eV）及未合成材料Ca?BiP（带隙0.56 eV）为候选，验证了材料设计流程，并拓展至GNoME数据库。

　　红外传感器在现代科技中扮演着至关重要的角色，广泛应用于夜视设备、火灾管理、食品腐败检测等多个领域。然而，目前大多数红外传感器依赖于昂贵且稀缺的材料，这不仅增加了生产成本，也限制了其大规模应用。为了解决这一问题，研究人员开发了一种高通量筛选方法，结合高精度的r2SCAN和HSE计算，用于评估材料在红外光谱范围内的光吸收性能。通过这种方法，他们识别出了一些具有潜力的候选材料，包括逆钙钛矿家族、钡银磷化物家族、碱金属磷化物家族以及ZnSnAs?等。其中，ZnSnAs?因其实验验证的0 K带隙为0.74 eV以及通过Bridgman生长法实现的低成本合成，被认为是最具前景的候选材料之一。此外，BaAgP虽然具有HSE计算出的0.64 eV带隙，但需要进一步的实验验证；而Ca?BiP则是一个尚未合成但显示出良好光学特性的新材料，其带隙为0.56 eV，也具备一定的应用潜力。

在研究中，团队强调了筛选方法的通用性和扩展性。该方法不仅适用于宽带隙材料的高通量筛选，还被成功应用于窄带隙材料的评估。这一进展对于推动新型红外传感器的研发具有重要意义，因为它能够系统性地筛选出具有合适光学特性的材料，从而为未来的器件设计提供理论依据。传统的红外传感器材料如锗（Ge）和镓化砷（GaSb）虽然已被证实具备良好的红外吸收能力，但它们的生产成本较高，且存在一定的毒性风险，限制了其在某些应用场景中的使用。因此，寻找低成本、低毒性的替代材料成为当前研究的热点。

筛选过程基于多个关键参数，包括元素的丰度、毒性、放射性稳定性、PBE带隙值、单位晶胞大小以及热力学稳定性。这些参数的综合评估有助于缩小候选材料的范围，提高筛选的效率和准确性。具体而言，筛选的初始阶段将候选材料从超过15万个材料中减少到2951个，随后通过进一步的高精度计算，最终确定了555个具有非零带隙的材料。这些材料的带隙范围被严格限制在0.8 eV以下，以确保其在近红外波段（1600 nm左右）具有良好的光吸收性能。在这一过程中，团队特别关注了材料的带隙特性及其与光吸收系数之间的关系，因为这些参数直接决定了材料在红外光谱中的响应能力。

在光吸收系数的计算中，团队采用了一种基于非自洽计算的高通量方法，利用PBE轨道进行计算，并结合其他高级计算方法（如HSE和r2SCAN）进行修正。这种方法在一定程度上弥补了PBE对带隙低估的不足，同时也考虑了可能的错误分类问题。例如，PBE可能会将某些半导体材料误判为金属，从而导致光吸收系数的计算出现偏差。然而，通过引入更精确的计算方法，团队能够更准确地预测材料的光学特性，为后续实验验证和实际应用提供了可靠的数据支持。

值得注意的是，筛选出的候选材料中，部分材料尚未被实验合成，但它们的结构原型与已知的合成材料相似，这为未来的研究提供了方向。例如，Ca?BiP作为一种尚未合成的材料，其带隙为0.56 eV，且在近红外波段表现出较强的吸收能力。尽管尚未进行实验验证，但其理论预测的性能表明它有可能成为一种新的红外吸收材料。同样，BaSrAg?Sb?和V?GaSe?S?等材料也显示出良好的光学特性，它们的结构与已知的合成材料相似，可能在适当的条件下实现合成和应用。

团队还特别强调了材料合成方法的重要性。对于ZnSnAs?，其通过Bridgman生长法实现合成，这种方法使用相对安全的金属前驱体，并且具有较低的成本，这使其在实际应用中更具优势。相比之下，传统的分子束外延（MBE）方法虽然能够实现高质量的晶体生长，但其成本较高，且涉及有毒气体（如砷化物）的使用，对环境和人体健康构成潜在威胁。因此，开发低成本、低毒性的合成方法是推动新型红外材料应用的关键。

此外，团队在筛选过程中考虑了材料的环境可持续性和安全性。他们优先选择那些元素毒性较低、放射性稳定性较高的材料，以减少潜在的健康和环境风险。例如，砷（As）虽然在某些材料中被使用，但其毒性较高，因此需要谨慎评估其在材料合成和应用中的安全性。然而，通过Bridgman生长法，ZnSnAs?能够以相对安全的方式合成，这为该材料的实际应用提供了保障。

在光学吸收系数的计算中，团队采用了高通量的工作流程，结合了非自洽的PBE计算和更精确的HSE计算，以确保结果的可靠性。他们还对计算结果进行了详细的分析，以评估不同材料在近红外波段的吸收能力。例如，GaSb和Ge的吸收谱显示出较高的吸收系数，尽管这些材料在PBE计算中被误判为金属，但通过HSE计算，其带隙得到了更准确的预测。这种计算方法的改进使得团队能够更有效地筛选出具有合适光学特性的材料，为未来的器件设计提供了理论支持。

团队的研究不仅关注了已知材料的性能，还探索了新型材料的潜力。例如，Ca?BiP作为一种尚未合成的材料，其带隙和吸收特性表明它可能成为一种新的红外吸收材料。虽然目前尚无实验数据支持，但其理论预测的性能为后续研究提供了方向。同样，BaAgP虽然具有较低的带隙（0.64 eV），但需要进一步的实验验证以确认其实际应用的可行性。

总的来说，这项研究通过高通量计算方法，成功筛选出了一批具有潜力的红外吸收材料。这些材料不仅在光学特性上表现出色，而且在成本和安全性方面也具备优势。未来的研究可以进一步验证这些材料的性能，并探索其在实际器件中的应用潜力。此外，团队提出的方法为其他类型的材料筛选提供了参考，特别是在窄带隙材料的评估方面，显示出良好的适用性和准确性。随着计算技术的不断进步，这种方法有望在更多领域得到应用，推动新型材料的研发和产业化进程。