DFT方法研究立方相BaThO?和SrThX?（X = O, S）钙钛矿的结构、电子、光学及热学性质，应用于光电和热障领域

《Physica B: Condensed Matter》：DFT Investigation of Structural, Electronic, Optical, and Thermal Properties of Cubic BaThO 3 and SrThX 3 (X = O, S) Perovskites for Optoelectronic and Thermal Barrier Applications

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  •DFT、HSE06 和 AIMD 共同评估了三种基于钍的钙钛矿。
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  这三种钙钛矿在热力学和动力学上都是稳定的。
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  HSE06 预测 BaThO₃ 和 SrThO₃ 具有较大的带隙。
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  SrThS₃ 在可见光到紫外光范围内具有很强的吸收能力，并且光学响应增强。
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  SrThS₃ 结合了低热导率和热障特性。

引言

钙钛矿材料由于其巨大的结构灵活性和多种物理性质（如铁电性、压电性、超导性、离子和电子导电性、热稳定性和催化活性）而在现代材料科学中受到了广泛关注 [1], [2], [3], [4], [5]。钙钛矿的独特性质使其成为各种技术应用的多功能材料，包括光电器件、自旋电子设备、传感器、光伏技术和固体氧化物燃料电池 [6], [7], [8]。近年来，第一性原理密度泛函理论（DFT）计算——特别是使用先进的交换相关处理方法（如混合泛函 HSE06）和多体微扰技术——对于准确模拟卤化物/氧化物钙钛矿以及硫属化合物基光电器件的结构稳定性、弹性行为和准粒子带隙至关重要 [9], [10], [11], [12]。一般的氧化物钙钛矿具有化学式 ABO₃，其中 A 和 B 是具有不同离子半径的不同阳离子。理想的立方钙钛矿结构中，B 位阳离子呈八面体配位，与六个氧原子相连，这些氧原子与其他 BO₆ 八面体共享顶点，而 A 位阳离子则位于 BO₆ 八面体之间的空腔中 [13], [14], [15]。虽然一些钙钛矿具有完美的立方结构，但许多钙钛矿的结构会因离子大小、键合性质和化学组成的不同而发生畸变，从而显著影响其物理行为 [16], [17], [18], [19]。

基于钍的钙钛矿最近因其在核能和能源相关技术中的潜在应用而受到广泛关注，这突显了它们在各类钙钛矿中的重要性。钍（Th）被认为是一种有前途的燃料材料，因为它在自然界中储量丰富，熔点高，热稳定性好，产生的长寿命放射性废物较少，相比传统的铀基燃料。这些优点使得钍化合物成为下一代核燃料和耐辐射材料的良好候选者。例如，基于钍的氧化物和硫属化合物具有非常好的化学稳定性，同时具备良好的电子和机械性能 [20], [21]。特别是 BaThO₃，由于它是核反应堆中的重要裂变产物之一，因此受到了特别关注。由于其核应用的重要性，已有许多关于其性质的研究。Moreira 和 Dias [22] 研究了其结构性质，Mishra 等人 [23] 研究了其热力学稳定性。此外，还报道了 BaThO₃ 的热物理参数，包括热容 [24] 和吉布斯自由能 [25]。尽管基于钍的钙钛矿是一类重要的钙钛矿，但对它们的理论研究仍然不够充分。

本研究重点关注基于钍的钙钛矿化合物 BaThO₃、SrThO₃ 和 SrThS₃。其中，BaThO₃ 和 SrThO₃ 是氧化物钙钛矿，而 SrThS₃ 是相应的硫化物钙钛矿类似物。在这些结构中，钍原子位于八面体配位的 B 位，周围被六个 O/S 原子包围，而 Ba 或 Sr 原子位于 A 位。此外，对相关立方钙钛矿和过渡金属硫属化合物框架的计算研究表明，通过阳离子和阴离子替换可以有效地调节机械性能、带边对齐和光学吸收阈值，以适应光电子和光电检测应用 [26], [27], [28], [29], [30]。因此，在密度泛函理论（DFT）框架内，对 XThY₃（X = Ba, Sr 和 Y = O, S）化合物的结构、弹性、电子、光学和热力学性质进行了全面的第一性原理研究。预计这些结果将有助于更深入地了解这些基于钍的钙钛矿的稳定性、键合性质和物理行为，并评估它们在多功能、光电子和能源相关应用中的适用性。

部分摘录

计算方法

本研究使用基于密度泛函理论（DFT）的 Quantum ESPRESSO 仿真包 [31] 进行了第一性原理计算，以研究立方钙钛矿化合物 BaThO₃ 和 SrThX₃（X = O, S）。价电子与离子核心之间的相互作用通过投影增强波（PAW）方法进行了准确处理。交换相关势采用广义梯度近似（GGA）进行计算

结构性质

使用 Quantum ESPRESSO 包中实现的平面波赝势密度泛函理论（DFT）计算方法，研究了立方钙钛矿化合物 XThY₃（X = Ba, Sr; Y = O, S）的结构性质。计算基于交换相关泛函的广义梯度近似（GGA）进行。父化合物 BaThO₃ 具有立方钙钛矿结构，Pm $$ m。这里的钡和锶原子...

结论

本研究基于密度泛函理论（DFT）进行了全面的第一性原理研究，探讨了立方钙钛矿 BaThO₃、SrThO₃ 和 SrThS₃ 的结构、机械、电子和热性质。本研究的创新之处在于对这些基于钍的氧化物和硫化物钙钛矿进行了系统的比较评估，特别是研究了 Ba/Sr 和 O/S 的替换如何系统性地改变它们的稳定性、电子性质...

CRediT 作者贡献声明

Katarzyna M?dra-Gackowska: 著作——审稿与编辑，研究。Muhammad Usman Khan: 著作——审稿与编辑，研究。Marcin Gackowski: 著作——初稿撰写，验证，方法论，研究，形式分析，概念化。?ukasz Szeleszczuk: 著作——审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源管理，项目协调，方法论，研究，资金筹措，形式分析，数据整理，

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

?ukasz Szeleszczuk|Muhammad Usman Khan|Katarzyna M?dra-Gackowska|Marcin Gackowski

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