《Chemical Physics》：Novel, stable 1D halide quantum chain CsRbCuCl?: A promising material for thermoelectric, optoelectronic, photocatalytic water splitting and spintronic applications
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摘要
本研究致力于探讨一维（1D）卤化物材料CsRbCuCl?的结构、电子、光电子、光催化、热电、磁性和热力学性质。结构优化结果表明，该材料由CuCl?八面体通过Cs?和Rb?阳离子连接形成。声子色散计算证实了布里渊区内不存在虚频率，从而验证了优化结构的动态稳定性。通过多种计
摘要
本研究致力于探讨一维（1D）卤化物材料CsRbCuCl?的结构、电子、光电子、光催化、热电、磁性和热力学性质。结构优化结果表明，该材料由CuCl?八面体通过Cs?和Rb?阳离子连接形成。声子色散计算证实了布里渊区内不存在虚频率，从而验证了优化结构的动态稳定性。通过多种计算方法发现，该材料在Γ点表现出直接带隙半导体特性。广义梯度近似（GGA）方法得到的带隙值为1.0电子伏特（eV），态密度（SOC）为0.9电子伏特；而基于 tbm-BJ 和 HSE06 方法的计算结果分别为约1.6电子伏特和2.1电子伏特。价带最大值主要由Cu的3d轨道和Cl的3p轨道贡献，导带最小值则主要由Rb的5s态形成。Boltzmann传输计算使用BoltzTraP代码完成。该材料在室温下具有较高的塞贝克系数（Sebeck coefficient）和适中的电导率及热导率，显示出1.5倍的热电转换效率（ZT performance）。此外，在高温下获得的较高热电功率因数进一步证明了其在废热回收应用中的潜力。材料在2.1电子伏特处具有强吸收系数，显示出其在光伏和光催化领域的应用潜力。GGA + U 方法证实了该材料在自旋电子学（spintronic）应用中的适用性，其基态为反铁磁（AFM）性质，净磁矩为0.89 μB/cell，比铁磁状态低约25 meV。总体而言，这种材料在下一代先进能量转换应用中具备多功能性。
引言
由于全球对能量转换应用需求的不断增长，低维材料吸引了众多研究人员的关注。特别是其一维（1D）材料，它们具有可调的电子带隙、结构稳定性、强的量子限域效应、较大的表面积以及与环境条件的强烈相互作用。CsRbCuCl?材料非常适合用于热电、光电子、光催化水分解和自旋电子学应用[1][2]。目前对这种材料的研究主要基于理论和计算方法，采用了先进的机器学习和计算代码。
碱土金属卤化物因其多样的物理性质而受到研究。铯（Cs）和铷（Rb）为材料提供了结构维度并稳定了晶格，而银（Ag）的d?电子层增强了半导体的性质并使其具有适中的带隙[3]。氯（Cl）通过高电负性显著影响键的离子性和载流子的局域化。用部分填充3d轨道的铜（Cu）替代银（Ag）可以显著改变材料的电子、磁性和热电响应，从而增强电子关联性和磁有序性，并改善载流子散射[4][5]。类似RbCuCl?、CsRbCuCl?、Cs?AgCl?等低维卤化物材料有助于深入研究阳离子替代效应，突显了这类材料的重要性。
如CsRbAgX?（X = Cl、Br、I）等相关材料在低维结构中展现出优异的光电和热力学性质，其带隙通常在2至5电子伏特之间，因此被认为是光伏和光催化应用的理想候选者。其中CsRbAgCl?因其较小的带隙而在热电材料领域尤为重要[6][7][8]。因此，我们选择研究CsRbCuCl?材料的光电、光催化水分解、热电和磁性特性，以探索其在清洁能源转换中的应用潜力。这些材料的宽带隙特性使其适用于实际的热电和水分解设备。CsRbAgBr?和CsRbAgI?等材料也适用于光电子计算。
CsRbAgCl?是一种结构稳定的一维材料，由孤立或弱相连的[AgCl?]八面体链组成，与CsRbCuCl?具有相同的空间群和晶格结构，因此两者在计算上存在显著相关性[9][10][11][12][13][14]。这种新型稳定的1D半导体材料有望应用于下一代能量转换技术。本研究使用WIEN2k代码对其特性进行了探索。以CsRbAgCl?作为基础参考材料，本研究旨在通过前沿的第一性原理计算系统地研究其结构稳定性、电子能带结构、光学响应、磁性和热电性能。这项工作具有创新性，因为它首次在一个框架内全面比较了基于银（Ag）和铜（Cu）的CsRb氯化物系统。该研究有助于实现可持续发展目标7（经济适用和清洁能源）及目标9（工业、创新和基础设施）。
章节片段
计算细节
本研究采用密度泛函理论（DFT）下的第一性原理模拟方法，研究了基于Cs和Rb的一维（1D）铜卤化物CsRbCuCl?的结构、电子、光电子、光催化、热力学和磁性质。由于其低维特性和强的电子-晶格相互作用，CsRbCuCl?在低维光电子、光催化、热电和自旋相关应用中具有重要意义。
结构性质
图1中的两条抛物线曲线显示了平衡体积和基态总能量的最小值，这些结果通过GGA + PBEsol和GGA + U等方法得出，符合科学依据[20]。两条曲线略有不同，因为Hubbard项的引入改变了电子关联效应，从而 slightly 改变了平衡能量和体积。在第一性原理计算中，能量使用Rydberg单位，体积使用立方原子单位是标准做法。
结论
通过第一性原理DFT方法研究了该材料的光电、光催化、热电和磁性质。利用HSE06势能计算得到的1D材料电子带隙为2.1电子伏特，其结构动态稳定性通过声子色散计算得到验证，布里渊区内不存在虚频率。该材料的热电转换效率（ZT value）达到1.5，表现出优异的能源转换性能。
作者贡献声明
Zahid Ullah：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论制定、研究设计、概念构建。Muhammad Siyar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、数据整理、概念构建。Ghulam Saddiq：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证。Mohd Hafiz Muhammad Amir Khan：初稿撰写、验证、方法论制定。Nasir
作者声明
Zahid Ullah、G. Saddiq、M.A Khan 和 M. Siyar共同完成了手稿的撰写，并通过WIEN2k软件研究了材料的性质。M.A Khan 和 M. Siyar 使用Phono3py代码计算了声子色散。M.H. Jali 和 Nasir Khan 审阅了手稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者衷心感谢伊斯兰大学佩沙瓦分校物理系提供的实验设施、资源和技术支持，以及马来西亚梅拉卡理工大学电气技术与工程学院在论文发表过程中给予的帮助。同时，也感谢Muhammad Siyar和Ghulam的协作。
Zahid Ullah | Muhammad Siyar | Ghulam Saddiq | Mohd Hafiz Jali | Muhammad Amir Khan | Nasir Khan
