基于氧化物的双钙钛矿（Sr2YSbO6和A2TiMoO6，其中A = Sr/Ba）的光电和热性能：基于密度泛函理论（DFT）的研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Optoelectronic and thermal properties of oxide-based double perovskites (Sr2YSbO6 and A2TiMoO6, A?=?Sr/Ba): a DFT study

本研究采用FP-LAPW和DFT方法分析Sr2TiMoO6、Ba2TiMoO6及Sr2YSbO6的结构、光电子和热性能。结果表明，A位取代（Sr→Ba）导致晶格常数增大和体弹模量降低。Sr2YSbO6为半导体（带隙3.5 eV），Ba2TiMoO6表现为半金属态（自旋向下带隙1.7 eV）。吸收系数峰值达5.81×10^4 cm?1，Sr2YSbO6热电性能最优（ZT=0.77@800 K）。

　　本研究聚焦于两种具有潜在应用价值的双钙钛矿氧化物材料，即A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?。通过采用全势线性增广平面波（FP-LAPW）方法进行密度泛函理论（DFT）计算，研究团队对这些材料的结构、光电子及热特性进行了系统分析。双钙钛矿结构因其独特的物理性质，在众多领域如电子器件、光电子技术、热电转换和磁性材料中展现出广阔的应用前景。该类材料通常具有A?BB'O?的化学式，其中A、B和B′代表阳离子，X则为阴离子（如氧或卤素）。这种结构的复杂性使得其物理性质表现出显著的多样性，因此成为材料科学领域的重要研究对象。

在本研究中，重点探讨了A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的结构稳定性、电子能带特性以及热电性能。研究团队利用Birch-Murnaghan方程对优化后的结构数据进行了拟合，发现随着从Sr向Ba替换阳离子，晶格常数呈现出增加的趋势，而体积模量则有所下降。这一变化表明，Ba?TiMoO?相较于Sr?TiMoO?具有更弱的结构稳定性，这可能与其更松散的晶格结构有关。同时，研究团队引入了容忍因子（t_F）作为评估结构稳定性的指标，分别计算了Sr?TiMoO?、Ba?TiMoO?和Sr?YSbO?的容忍因子值为0.87、0.89和0.85。这些数值表明，尽管Ba?TiMoO?的晶格常数更大，但其结构稳定性仍处于可接受的范围内，而Sr?YSbO?的容忍因子略低，可能意味着其结构存在一定的不稳定性。

为了提高电子能带结构计算的准确性，研究团队采用了DFT + U和TB-mBJ两种方法。这两种方法在处理具有强自旋-轨道耦合效应的材料时尤为重要，因为它们能够更有效地捕捉材料中电子结构的细节。研究结果表明，Ba?TiMoO?表现出半金属特性，其在自旋向下方向具有1.7 eV的带隙，而在自旋向上方向则无带隙。这种半金属特性使得Ba?TiMoO?在某些特定的电子应用中具有优势，如高导电性材料或特定的磁性器件。相比之下，Sr?YSbO?则表现出半导体特性，其带隙值为3.5 eV，这表明该材料在光电子领域具有较高的潜力，如太阳能电池或光电探测器。

在光吸收特性方面，研究团队对A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的吸收系数进行了计算。结果显示，这些材料在高频光谱区域表现出较高的吸收能力，吸收系数分别达到5.27×10? cm?1、5.81×10? cm?1和4.03×10? cm?1。这一结果意味着这些材料在光子吸收过程中具有较高的效率，因此在光电子器件中可能具有良好的应用前景。特别是Sr?YSbO?的吸收系数较高，表明其在可见光或近红外区域的光吸收能力较强，这可能是其在光电子领域表现优异的原因之一。

为了进一步评估这些材料的热电性能，研究团队利用BoltzTraP代码在WIEN2K软件中进行了计算。热电性能通常通过ZT值来衡量，该值是热电功率因子（S2σ）与热导率（κ）的比值，并结合温度因素进行计算。研究结果表明，Sr?YSbO?在800 K的高温下表现出最高的ZT值，为0.77。这一数值表明，该材料在高温条件下具有较高的热电转换效率，因此在热电发电或冷却技术中具有较大的应用潜力。相比之下，A?TiMoO?（A = Sr/Ba）的ZT值较低，这可能与其较低的电导率或较高的热导率有关。此外，研究团队指出，由于缺乏相关文献，目前对A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的热电性能研究尚不充分，因此本研究填补了这一领域的空白。

在光电子应用方面，研究团队指出Sr?YSbO?具有优异的光电性能，这与其半导体特性密切相关。半导体材料的带隙值决定了其对光的吸收和发射能力，而Sr?YSbO?的带隙值为3.5 eV，这使其在可见光范围内具有良好的响应能力。此外，该材料的高吸收系数表明其在光子吸收过程中具有较高的效率，这可能与其电子结构中的能带排列有关。因此，Sr?YSbO?在光电子器件中的应用前景值得进一步探索，尤其是在需要高效光吸收和转换的场景中，如太阳能电池或光电探测器。

在热电应用方面，Sr?YSbO?的高ZT值表明其在高温热电转换中具有较高的潜力。热电材料的应用通常需要材料在高温下仍能保持良好的电导率和较低的热导率，而Sr?YSbO?在800 K时表现出较高的ZT值，这可能是由于其较低的热导率和较高的电导率共同作用的结果。此外，研究团队还指出，该材料的热电性能可能与其结构特性有关，例如其晶格常数和体积模量的变化可能影响了其热导率。因此，进一步研究这些材料的结构-性能关系对于优化其热电性能具有重要意义。

研究团队还提到，A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的光电子和热电特性可能与其电子结构和晶格排列密切相关。例如，Ba?TiMoO?的半金属特性可能与其电子结构中的自旋极化有关，而Sr?YSbO?的半导体特性则可能与其能带结构中的能隙分布有关。此外，这些材料的结构稳定性也对其性能产生影响，例如较高的容忍因子可能意味着其结构在高温或高压下仍能保持一定的稳定性，这对于实际应用中的材料耐久性至关重要。

综上所述，本研究通过对A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的结构、电子能带和热电性能的系统分析，揭示了这些材料在光电子和热电领域的潜在应用价值。特别是Sr?YSbO?在高温下表现出较高的ZT值，这表明其在热电转换方面具有较大的优势。同时，其半导体特性也使其在光电子器件中具有良好的应用前景。这些研究结果为后续的实验合成和实际应用提供了重要的理论依据，同时也为相关材料的进一步研究指明了方向。

在计算方法方面，研究团队采用了DFT结合FP-LAPW方法进行电子结构计算，并利用Birch-Murnaghan方程对结构数据进行拟合。此外，为了提高电子能带结构的计算精度，研究团队还引入了DFT + U和TB-mBJ两种方法。这些方法的结合使得研究团队能够更全面地理解这些材料的电子特性，从而为性能优化提供理论支持。同时，研究团队还使用了BoltzTraP代码进行热电性能的计算，这一工具能够有效模拟材料在不同温度下的热电响应，为评估其热电性能提供了可靠的依据。

研究团队在研究过程中还考虑了材料的机械和光学特性。例如，通过分析材料的晶格常数和体积模量的变化，研究团队能够评估其在不同条件下的结构稳定性。此外，材料的光学特性，如吸收系数，也是其应用价值的重要指标。这些特性不仅影响材料的光吸收效率，还可能与其在光电子器件中的性能密切相关。因此，研究团队对这些材料的光学性能进行了详细分析，以评估其在光电子应用中的潜力。

此外，研究团队还讨论了这些材料的磁性特性。尽管在本研究中并未直接探讨磁性行为，但双钙钛矿材料通常因其独特的结构而展现出多样的磁性特性，如反铁磁性、铁磁性和自旋玻璃等。这些磁性特性可能与其电子结构和晶格排列有关，因此在后续研究中，进一步探讨这些材料的磁性行为将有助于更全面地理解其物理性质。同时，磁性材料在某些特定的应用场景中，如磁存储器件或磁传感器，可能具有重要的应用价值。

在材料科学领域，双钙钛矿材料因其独特的结构和物理性质而受到广泛关注。这些材料不仅在电子和光电子器件中具有应用潜力，还可能在热电、磁性和光催化等领域发挥重要作用。因此，研究团队认为，对这类材料的深入研究不仅有助于推动基础科学研究的发展，还可能为实际应用提供新的材料选择。特别是在当前能源和环境问题日益严峻的背景下，开发具有高效热电性能和良好光电子特性的新型材料显得尤为重要。

研究团队在研究过程中还强调了计算方法的可靠性。通过采用多种计算方法，如DFT、DFT + U和TB-mBJ，研究团队能够更全面地分析这些材料的物理性质。此外，利用BoltzTraP代码进行热电性能的计算，使得研究团队能够模拟材料在不同温度下的热电响应，从而评估其在实际应用中的性能表现。这些计算方法的结合不仅提高了研究结果的准确性，还为材料的进一步优化提供了理论支持。

总的来说，本研究通过系统的理论计算，揭示了A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?在结构、电子和热电性能方面的特点。这些材料的优异性能为未来的材料开发和应用提供了新的思路，特别是在光电子和热电转换领域。同时，研究团队还指出，由于这些材料的性能可能与其结构特性密切相关，因此进一步研究其结构-性能关系对于提升其应用价值具有重要意义。此外，研究团队还强调了在实际应用中，这些材料的稳定性、可加工性和成本等因素也需要被充分考虑，以确保其在实际应用中的可行性。

研究团队在本研究中还提到，这些材料的性能可能受到多种因素的影响，例如阳离子的种类、晶格常数的变化以及电子结构的特性。因此，在后续的研究中，需要进一步探讨这些因素如何共同作用，以优化材料的性能。例如，通过调整阳离子的种类或浓度，可能能够进一步改善材料的热电性能或光电子特性。此外，研究团队还建议，未来的实验研究应结合这些理论计算结果，以验证和优化材料的性能，并探索其在实际应用中的可能性。

本研究的成果不仅为材料科学领域提供了新的理论支持，也为相关技术的发展提供了重要的参考。特别是在当前对高效能源转换材料和新型光电子器件的需求日益增长的背景下，这些材料的研究具有重要的现实意义。此外，研究团队还指出，这些材料的潜在应用可能不仅限于上述领域，还可能涉及其他新兴技术，如量子计算、自旋电子学和环境治理等。因此，进一步的研究和实验探索将有助于揭示这些材料的更多特性，并拓展其应用范围。

综上所述，本研究通过对A?TiMoO?（A = Sr/Ba）和Sr?YSbO?的系统分析，揭示了这些材料在结构、电子和热电性能方面的特点。这些材料的优异性能为未来的材料开发和应用提供了新的思路，特别是在光电子和热电转换领域。同时，研究团队还强调了在实际应用中，这些材料的稳定性、可加工性和成本等因素也需要被充分考虑，以确保其在实际应用中的可行性。此外，研究团队还建议，未来的实验研究应结合这些理论计算结果，以验证和优化材料的性能，并探索其在实际应用中的可能性。