SnI2基层状类钙钛矿有机-无机杂合物的第一性原理研究

摘要

SnI2基层状类钙钛矿杂合物是有机、无机组分在分子尺度上复合而成的新型功能材料,其能带可经过分子尺度上的设计与剪裁、组装形成多量子阱结构,从而可能实现其电子学性能的精确设计和控制,在微电子等领域具有巨大的应用潜力。但目前其结构与能带、性能之间的关系还不明了,因此,从电子结构的本质层面研究其结构-能带-性能之间的内在关系,对丰富其理论知识体系和实际应用具有重要意义。
　　 本文对不同有机元和不同无机钙钛矿层数的碘化亚锡基层状类钙钛矿杂合物进行第一性原理研究。用Material Studio中的Dmol3和CASTEP模块建立了各杂合物的结构模型,计算了各杂合物的偏态密度、总态密度、能带和各原子的电荷布居等,并利用能带计算结果计算了各体系的载流子浓度。分析了有机元和无机元各原子轨道对能带结构的贡献和杂合物中的成键情况,详细讨论了带隙大小与无机元微观结构的关系及有机元如何通过模板作用改变无机层的结构从而对带隙起微调作用。
　　 研究结果表明,对单钙钛矿层的杂合物,费米面附近的能带来自无机元中各原子的原子轨道,价带顶部主要是I原子的5p轨道与Sn原子的5s轨道构成,导带底部则主要是Sn原子的5p轨道构成。因此,无机元的结构直接决定了带隙的大小。对成键情况、无机层中键长键角和带隙大小之间的关系分析表明,无机层桥位碘对带隙的影响明显强于端位碘,其中桥位碘连接的Sn-I-Sn键角对带隙大小有明显影响,该键角越是远离180度,带隙就越大。有机元的原子轨道对费米面附近的能带无贡献,因此不直接对带隙产生影响。但有机元对无机元有模板作用,不同有机元的氨基头与无机层之间的夹角不同,因此与无机层中的碘原子形成不同氢键。氢键的大小与方向会引起Sn-I-Sn键角的变化,从而间接地改变带隙。对多钙钛矿层体系的计算表明,无机层的层数对带隙有极大影响,这是无机层维度发生变化所致,当无机层数为3时,带隙远小于单钙钛矿层的杂合物的带隙,杂合物从半导体向金属性转变,载流子浓度也由小变大。