卤素取代对Aurivillius相Bi2TiO4X2氧卤化物声子不稳定性的第一性原理研究

来自研究人员采用密度泛函理论(DFT)系统研究了卤素(F/Cl/Br/I)取代对m=1 Aurivillius相Bi2TiO4X2结构稳定性的影响。研究发现仅Bi2TiO4F2存在c轴极性不稳定模式，且所有体系均保持直接带隙半导体特性，为新型功能材料设计提供了理论依据。

　　

这项研究运用第一性原理计算揭开了卤素原子在Aurivillius家族中的独特作用。当氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)依次占据四方晶系I4/mmm相顶点位置时，晶格沿c轴方向呈现规律性膨胀。有趣的是，声子谱分析显示只有Bi₂TiO₄F₂存在特有的极性不稳定模式，这种"氟元素专属"现象在更重的卤素同类物中神奇消失。

电子结构计算则描绘出更精彩的画面：所有研究对象都是直接带隙半导体，但随着卤素原子序数增加，价带顶的卤素np态(n=2-5)持续上移，导致带隙显著收窄。这种能带工程效应暗示着通过卤素调控可实现从宽带隙到窄带隙半导体的连续调变，为设计新型光电功能材料开辟了道路。