研究Z=K、Rb的2SbAuF6（Z为钾或铷）卤化物双钙钛矿的半导体特性，以应用于最新的技术领域

《Materials Chemistry and Physics》：Exploring the semiconductor character of Z 2SbAuF 6 (Z=K, Rb) halide double perovskites for the latest technology applications

本研究通过第一性原理计算系统分析了K2SbAuF6和Rb2SbAuF6双晶格卤化物的结构稳定性、电子特性、光学吸收和热电性能。结果显示两者均为半导体材料，禁带宽度分别为2.61 eV和2.54 eV，具有优异的热电性能（ZT值0.75-0.76），并表现出在紫外光区的强吸收特性，适用于光电器件和热电转换应用。结构分析表明材料具有稳定的立方晶格结构，弹性参数显示韧性特征。

　　

伊夫提卡尔·艾哈迈德（Iftikhar Ahmad）|阿米娜·吉拉尼（Amina Gilani）|卡尔文·T·豪威尔斯（Calvyn T. Howells）|加米尔·A·A·M·阿尔-哈兹米（Gamil A.A.M. Al-Hazmi）|基兰·K·S（Kiran K.S）|朱奈德·穆尼尔（Junaid Munir）|C·拉梅什库马尔（C. Rameshkumar）|塔帕斯·库马尔·莫哈帕特拉（Tapas Kumar Mohapatra）|桑杰夫·库马尔（Sanjeev Kumar）|穆罕默德·贾米尔（Muhammad Jamil）|埃尔卡贝伊·埃什查诺夫（Erkabay Eshchanov）|库什努德·阿齐兹贾诺夫（Khushnud Azizjanov）

阿布扎比大学健康科学学院环境与公共卫生系，邮政信箱59911，阿布扎比，阿拉伯联合酋长国

摘要

双钙钛矿材料由于其在光电和热电技术中的潜在应用而引起了广泛的研究兴趣。当前的计算揭示了Z₂SbAuF₆（Z=K, Rb）的电子排列、机械性能（C??）、热性能和光学特性。通过评估容忍因子、形成能和弹性参数，我们对其结构稳定性进行了评价。利用Pugh比率和Poisson比率来评估计算出的钙钛矿的机械性能（脆性或延展性）。电子分析表明Z₂SbAuF₆（Z=K, Rb）具有半导体特性，其间接带隙分别为2.61 eV和2.54 eV。此外，对表面反射率R(ω)、介电常数和折射率n(ω)的分析进一步揭示了这些材料的特性。由于其在紫外范围内的吸收能力，这些材料在光伏系统（尤其是UV-LED）中具有潜在的应用价值。在300 K时，Rb₂SbAuF₆的优值（ZT）为0.75，K₂SbAuF₆的优值为0.76，显示出在热电应用中的显著效率。温度依赖的热电响应表明它们适用于能量收集设备，如热电制冷、电子元件冷却和温度稳定装置。

引言

创造高效的技术设备需要用新发现的多功能组件替代传统产品[1]。目前，人类面临两个关键的能源问题。主要问题是化石燃料的不可持续性和有限性。另一个问题是化石燃料消耗对环境的负面影响，包括温室气体排放、空气污染和全球气候变化[2, 3]。强调可再生能源、可持续能源和环保能源的优先级至关重要，因为它们对全球经济稳定起着重要作用[4, 5, 6]。这种不断增长的需求推动了多个学科的研究努力，包括材料科学、化学工程和物理学[7, 8, 9, 10]。基于紫外线的应用具有普遍性、可持续性和环保性，为解决各种全球挑战提供了有吸引力和可行的解决方案，例如替代有限的能源资源并改善水质和空气质量[11, 12]。

光伏领域的研究人员特别有动力开发具有优异性能的创新材料，以提高光吸收和能量转换效率[13, 14]。无铅HDP化合物是一类符合上述标准的新型材料。它们的稳定性足以支持能带结构工程和设备优化。对经济高效、环保的发电技术的需求正在稳步增加[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]。因此，当前的发展重点集中在卤化物钙钛矿上，因为它们具有出色的韧性和耐用性，适用于紫外线选择性的光电应用，并能在实际条件下长期运行[22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]。

对先进材料的持续探索使卤化物双钙钛矿成为可持续技术的有吸引力的候选材料，因为它们具有化学稳定性、结构灵活性和更好的环境兼容性。尽管最近有所进展，但卤化物双钙钛矿Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）尚未得到研究。与传统的HDP相比，McClure等人报告了无铅双钙钛矿Cs₂AgBiBr₆和Cs₂AgBiCl₆如何通过组成驱动的晶格动力学、弹性行为和温度依赖的光学响应来控制相稳定性和设备适用性[29]。卤化物钙钛矿Na₂LiZF₆（Z = Ir, Rh）的结构、机械和动态稳定性得到了验证。它们宽的间接带隙、强紫外线吸收和良好的介电性能表明其适用于紫外线光电探测器和发光器件[30]。X₂CuSbCl₆（X=K, Cs）的光电特性通过FP-LAPW方法进行了研究，其间接带隙分别为1.123 eV和1.163 eV[31]。已经对多种卤化物双钙钛矿（HDPs）进行了全面的实验和理论研究。2023年，研究了多种类型的双卤化物钙钛矿，包括K₂NaTlX₆（X=I, Br, F）[32]、A₂(Sr, Ba)WMgO₆[33]、Cs₂LiCeX₆（Br, F 和 I）[34]、Rb₂TlB’I₆（$$ =As, Ga）[35]、K₂YAgX₆（X=I, Br）[36]、BaMgLaBiO₆[37]、Cs₂AgBX₆（B = Sb; In X = Cl, Br, I）[38]、Cs₂AgBiX₆（X=Cr, Br, 和 I）[39]、X₂ScTlI₆（X=Rb, Cs）[40]、Cs₂NaMX₆（M=Sb, Tl, Bi, In; X=Cr, Br, I）[41]、X₂TaTbO₆（X=Sr, Ca, Ba）[42]、Rb₂AgInX₆（X=Cl, Br 和 I）[43]。最近还研究了A₂AgRhF₆（A=Na, Rb）卤化物钙钛矿，并显示出有希望的特性[44]。在这些化合物中，研究的Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）具有更宽的带隙、更强的紫外线（UV）吸收和中等至高的折射率，这使它们区别于许多主要针对紫外线吸收的传统HDPs。从电子角度来看，Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）的半导体带隙和明确的带边表明其具有良好的电子稳定性和较低的载流子复合，有利于设备的可靠运行。

在这项工作中，我们首次系统地进行了Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）的第一性原理研究，强调了Au相对论效应和F诱导键合对其结构、电子、光学和热电性能的独特影响。在这些材料中，Au驱动的相对论相互作用和强F诱导键合的共同作用产生了有利的电子结构特性、高效的光吸收和增强的热电性能，同时F-2p态与Au-5d和Sb-p态强烈杂化，控制了价带特征，并在紫外线区域的光吸收中起着关键作用。这些特性确保了它们适用于长期设备应用。显著的紫外线吸收和相对较高的折射率使这些材料更适合基于紫外线的光电技术，如紫外线光电探测器、紫外线发光二极管（LED）、光学涂层和串联光伏设计中的光收集层。为了评估Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）的结构稳定性并探索其在可再生能源、基于紫外线的光电和热电应用中的潜力，本研究旨在使用第一性原理方法来检查这些材料的结构、电子、光学和热电性能。总体而言，这些第一性原理结果不仅揭示了Z₂SbAuF₆（Z = K, Rb）的独特结构、电子、光学和热电特性，还为未来的实验和设备导向研究奠定了基础，指导设计稳定的无铅卤化物钙钛矿，用于光电、紫外线和能量转换应用。

第一性原理计算

本研究应用密度泛函理论（DFT）来表征基本的物理参数。DFT是一种量子力学框架，通过评估电子密度分布来确定系统的电子结构。WIEN2k代码采用全势线性化平面波（FP-LAPW）方法进行模拟。FP-LAPW被认为是解决DFT Kohn–Sham方程的最准确技术之一。

结构分析与稳定性

分析结构特征可以提供详细信息，并有助于确定原子的正确位置。双钙钛矿结构在实验合成过程中可以呈现不同的形状，可以是立方体、四方体、单斜体或六方体。Z₂SbAuF₆（Z=K, Rb）卤化物双钙钛矿具有立方体几何结构，空间群为（No. 225）。K和Rb元素的Wyckoff位置分别为24e（0.23, ），而Sb、Au和F元素的位置分别为4a（0, 0, ）。

结论

理论研究使用WIEN2k软件包来研究Z₂SbAuF₆（Z=K, Rb）钙钛矿的弹性、结构、热电和光电特性。所研究的双钙钛矿具有稳定的立方体结构。计算出的优化曲线、形成能和容忍因子证明了材料的稳定性。计算出的Pugh比率和Poisson比率反映了Z₂SbAuF₆的延展性。

CRediT作者贡献声明

埃尔卡贝伊·埃什查诺夫（Erkabay Eshchanov）：验证、形式分析。穆罕默德·贾米尔（Muhammad Jamil）：写作——审稿与编辑、监督、软件。阿米娜·吉拉尼（Amina Gilani）：写作——审稿与编辑。库什努德·阿齐兹贾诺夫（Khushnud Azizjanov）：验证、资源获取、研究、资金筹集。伊夫提卡尔·艾哈迈德（Iftikhar Ahmad）：写作——初稿。加米尔·A·A·M·阿尔-哈兹米（Gamil A. A. M. Al-Hazmi）：资金筹集、形式分析。卡尔文·T·豪威尔斯（Calvyn T. Howells）：写作——审稿与编辑、可视化、研究。朱奈德·穆尼尔（Junaid Munir）：监督、软件、项目管理。K·S·基兰（K. S. Kiran）：

未引用参考文献

50.; 51.; 94..

数据可用性声明

数据将应合理要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国王哈立德大学的研究与研究生院通过RGP2/225/46号大型研究项目资助了这项工作。