نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم و فناوری های نوین، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه

2 گروه فیزیک ماده چگال، دانشکده فیزیک، دانشگاه تبریز، تبریز

3 گروه فیزیک، دانشکده علوم و فناوری های نوین، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

در این پژوهش، ویژگی‌های ساختاری، الکترونیکی و نوری ترکیبات پروسکایتی Ba₃MBr₃ با عناصر نیتروژن و فسفر در جایگاه M، به‌صورت سیستماتیک و با بهره‌گیری از محاسبات نظریه تابع چگالی مورد بررسی قرار گرفتند. برای افزایش دقت در مدل‌سازی برهم‌کنش‌های الکترونی، از تقریب گرادیان تعمیم‌یافته مرتبه دوم استفاده شد و محاسبات هم با و هم بدون در نظر گرفتن اثرات جفت‌شدگی اسپین-مدار انجام شدند. به‌منظور بهبود پیش‌بینی شکاف نواری، از تابعی هیبریدی Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE) بهره گرفته شد. نتایج نشان دادند که در غیاب SOC، ترکیب Ba₃NBr₃ دارای شکاف نواری غیرمستقیم 0/36 الکترون‌ولت و Ba₃PBr₃ دارای شکاف 0/85 الکترون‌ولت است. با اعمال تابعی HSE، این مقادیر به‌ترتیب به 0/92 و 1/40الکترون‌ولت افزایش یافتند. با در نظر گرفتن SOC، شکاف نواری هر دو ترکیب اندکی کاهش یافت، که این کاهش در ترکیب نیتروژنی محسوس‌تر بود. تحلیل چگالی حالت‌ها نشان داد که اوربیتال‌های p از Br نقش اصلی را در نوار ظرفیت ایفا می‌کنند، در حالی که نوار رسانش عمدتاً از اوربیتال‌های d عنصر Ba تشکیل شده است. نقشه‌های چگالی الکترونی نیز وجود پیوندهای یونی-کووالانسی را تأیید کردند، به‌طوری‌که پیوند Ba–N نسبت به Ba–P دارای ویژگی کووالانسی قوی‌تری است. در مجموع، این مطالعه نشان می‌دهد که نوع عنصر جایگزین‌شده در جایگاه M و همچنین اثرات نسبیتی، تأثیر چشمگیری بر ساختار الکترونیکی و شکاف نواری این مواد دارند. این یافته‌ها می‌توانند راهگشای طراحی پروسکایت‌های پایدار و بدون سرب برای کاربردهای نوین اپتوالکترونیکی باشند.

کلیدواژه‌ها

[1] Majee, R., Parvin, S., Arif Islam, Q., Kumar, A., Debnath, B., Mondal, S., ... & Bhattacharyya, S. (2022). The perfect imperfections in electrocatalysts. The Chemical Record, 22(9), e202200070.
[2] Vodapally, S. N., & Ali, M. H. (2022). A comprehensive review of solar photovoltaic (PV) technologies, architecture, and its applications to improved efficiency. Energies, 16(1), 319.
[3] Kojima, A., Teshima, K., Shirai, Y., & Miyasaka, T. (2009). Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells. Journal of the american chemical society, 131(17), 6050-6051.
[4] Liu, S., Biju, V. P., Qi, Y., Chen, W., & Liu, Z. (2023). Recent progress in the development of high-efficiency inverted perovskite solar cells. NPG Asia Materials, 15(1), 27.
[5] Green, M. A., Dunlop, E. D., Yoshita, M., Kopidakis, N., Bothe, K., Siefer, G., ... & Hao, X. (2024). Solar cell efficiency tables (Version 64). Progress in photovoltaics: research and applications, 32(7), 425-441.
[6] J. Han, K. Park, S. Tan, Y. Vaynzof, J. Xue, E. W.-G. Diau, M. G. Bawendi, J.-W. Lee, I. Jeon, Perovskite solar cells, Nature Reviews Methods Primers 5 (2025) 3.
[7]Ortega-San-Martin, L. (2020). Introduction to perovskites: A historical perspective. In Revolution of perovskite: synthesis, properties and applications (pp. 1-41). Singapore: Springer Singapore.
[8] Li, G. (2021, August). Printing and In-situ investigation of perovskite thin films for printable solar cells. In Organic, Hybrid, and Perovskite Photovoltaics XXII (Vol. 11809, p. 118090W). SPIE.
[9] Liu, A., Zhu, H., Bai, S., Reo, Y., Zou, T., Kim, M. G., & Noh, Y. Y. (2022). High-performance inorganic metal halide perovskite transistors. Nature Electronics, 5(2), 78-83.
[10] Awschalom, D. D., & Flatté, M. E. (2007). Challenges for semiconductor spintronics. Nature physics, 3(3), 153-159.
[11] Zhao, Y., & Truhlar, D. G. (2008). Construction of a generalized gradient approximation by restoring the density-gradient expansion and enforcing a tight Lieb–Oxford bound. The Journal of chemical physics, 128(18).
[12] Kaewmeechai, C., Laosiritaworn, Y., & Jaroenjittichai, A. P. (2018, December). HSE hybrid functional calculation of band gap deformation potential in MgGeN2. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1144, No. 1, p. 012045). IOP Publishing.
[13] Yuan, Y., Xu, R., Xu, H. T., Hong, F., Xu, F., & Wang, L. J. (2015). Nature of the band gap of halide perovskites ABX3 (A= CH3NH3, Cs; B= Sn, Pb; X= Cl, Br, I): First-principles calculations. Chinese Physics B, 24(11), 116302.
[14] Anandan, P. R., Nadeem, M., Lin, C. H., Singh, S., Guan, X., Kim, J., ... & Wu, T. (2023). Spin–orbital coupling in all-inorganic metal-halide perovskites: The hidden force that matters. Applied Physics Reviews, 10(4).
[15] Leppert, L., Rangel, T., & Neaton, J. B. (2019). Towards predictive band gaps for halide perovskites: Lessons from one-shot and eigenvalue self-consistent GW. Physical Review Materials, 3(10), 103803.
[16] Huang, L. Y., & Lambrecht, W. R. (2016). Electronic band structure trends of perovskite halides: Beyond Pb and Sn to Ge and Si. Physical Review B, 93(19), 195211.
[17] Yuan, Y., Xu, R., Xu, H. T., Hong, F., Xu, F., & Wang, L. J. (2015). Nature of the band gap of halide perovskites ABX3 (A= CH3NH3, Cs; B= Sn, Pb; X= Cl, Br, I): First-principles calculations. Chinese Physics B, 24(11), 116302.
[18] Anandan, P. R., Nadeem, M., Lin, C. H., Singh, S., Guan, X., Kim, J., ... & Wu, T. (2023). Spin–orbital coupling in all-inorganic metal-halide perovskites: The hidden force that matters. Applied Physics Reviews, 10(4).
[19] Singh, J. K., Mandal, S. K., & Banerjee, G. (2021). Refractive index of different perovskite materials. Journal of Materials Research, 36(9), 1773-1793.