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計(jì)算文獻(xiàn)導(dǎo)讀 (一)：JACS丨Mn摻雜鈣鈦礦基LED材料輻射復(fù)合效率增強(qiáng)的第一性原理計(jì)算分析

來源：科學(xué)10分鐘時(shí)間：2021-07-01 14:41:03 瀏覽：4568次

研究背景

金屬鹵化物鈣鈦礦納米晶（NCs）發(fā)光材料因具有高亮度、光譜可調(diào)諧性以及極佳的色域，使得其成為制造低成本高效發(fā)光二極管（LED）的理想材料。針對(duì)如何提升這類鈣鈦礦基LED材料發(fā)光效率的研究也成為推動(dòng)該系列材料未來產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)，其中Mn離子摻雜以提升輻射復(fù)合效率的手段因?yàn)闃O佳的效果成為近期的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

研究成果

英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的Feldmann等人結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析與第一性原理計(jì)算，研究了Mn摻雜的CsPb(Cl,Br)₃鈣鈦礦納米晶中的激發(fā)復(fù)合動(dòng)力學(xué)過程。研究發(fā)現(xiàn)摻雜能夠增強(qiáng)本征激子輻射復(fù)合率，這一通常難以調(diào)控修飾的材料屬性。相關(guān)工作發(fā)表在JACS上（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 23, 8647–8653）。

計(jì)算分析

通過吸收譜、熒光光譜（PL）、含時(shí)單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)（TCSPC）等實(shí)驗(yàn)分析手段，作者們觀察到了Mn摻雜鈣鈦礦納米晶體系中輻射復(fù)合率的增強(qiáng)。為了進(jìn)一步闡明Mn摻雜對(duì)激子復(fù)合過程的影響，作者們利用DFT進(jìn)行了電子結(jié)構(gòu)的研究。通過構(gòu)建CsPbX₃（X為Cl或Br或者兩者的混合物）的超胞，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)體系為布里淵區(qū)R點(diǎn)的直接帶隙半導(dǎo)體，且?guī)对趽诫s后增加了約0.2eV，這與吸收譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致。

圖 1. Mn摻雜納米晶中的激發(fā)動(dòng)力學(xué)與載流子局域化現(xiàn)象

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)部分Pb被Mn取代后，體系的價(jià)帶頂VBM將會(huì)受到微擾，能帶與能量較低的孤立鹵素p軌道相似。更進(jìn)一步，Pb 6p軌道上的微擾使得導(dǎo)帶底CBM產(chǎn)生變化。在兩類微擾的作用共同促進(jìn)了帶隙的變寬。重要的是，這些微擾作用同時(shí)還減弱了VBM和CBM的色散性，使得電子和空穴態(tài)局域性增強(qiáng)以及具有更高的有效質(zhì)量，如表1所示。

表1. 有效質(zhì)量的增加印證了摻雜導(dǎo)致的載流子局域化

為此，研究者們進(jìn)一步計(jì)算了原始與Mn摻雜的CsPbCl₃的CBM實(shí)空間電荷密度分布，使用的是帶有20%Hartree-Fock交換關(guān)聯(lián)能的PBEsol泛函，結(jié)果如圖 1（c）中插圖所示。

圖2. CBM在高對(duì)稱點(diǎn)R處的實(shí)空間電荷密度分布。（a）原始CsPbCl_3。（b）Mn摻雜的CsPbCl₃。

圖2對(duì)比了未摻雜的CsPbCl₃與Mn摻雜的CsPbCl₃的高對(duì)稱點(diǎn)R處的實(shí)空間電荷密度分布，后者展現(xiàn)出更強(qiáng)的局域化特性，且主要集中在Mn-Cl-Pb化學(xué)鍵上。而來自周圍鈣鈦礦八面體的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略。這導(dǎo)致了電子與空穴波函數(shù)的更多重疊并能夠解釋實(shí)驗(yàn)上觀察到的輻射復(fù)合率增強(qiáng)現(xiàn)象。

除了從電荷密度的實(shí)空間分布進(jìn)行分析以外，研究者們還通過投影態(tài)密度pDOS的分析來進(jìn)一步證實(shí)了局域化效應(yīng)的存在。如圖1（d）所示，Mn 4s 軌道與Mn 3d 軌道在CBM處同時(shí)出現(xiàn)，4s軌道與主體鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的雜化導(dǎo)致了電荷的局域化。

文獻(xiàn)鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c01567

﹀

計(jì)算GO可算業(yè)務(wù)

一

光電催化

ORR、OER、NRR、CO2RR、全水解HER等主流理論計(jì)算(大化所理論組提供技術(shù)支持?。?br style="max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;" />

二

電池相關(guān)計(jì)算

Li-O2空氣電池反應(yīng)路徑、Li-CO2空氣電池反應(yīng)路徑、鋰、鈉、鋅離子吸附、離子擴(kuò)散、電極-電解液溶劑化配位結(jié)構(gòu)AIMD計(jì)算等

三

其他第一性原理計(jì)算

吸附能、缺陷形成能、態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、鍵長(zhǎng)鍵角、晶體軌道、電荷轉(zhuǎn)移、反應(yīng)路徑、活化能過渡態(tài)等

四

量子化學(xué)計(jì)算

分子前線軌道、靜電勢(shì)、光譜模擬、激發(fā)態(tài)計(jì)算、反應(yīng)路徑、過渡態(tài)搜索等

五

分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

分子對(duì)接、從頭建模、同源建模、生物蛋白分子動(dòng)力學(xué)模擬、結(jié)合能計(jì)算、金屬碰撞、分子自組裝等

六

有限元計(jì)算

電場(chǎng)增強(qiáng)、傳熱傳質(zhì)、力學(xué)分析、鋰枝晶生長(zhǎng)、相場(chǎng)模擬、格子玻爾茲曼方法等

七

過程模擬

分離過程模擬、工藝流程、二元相圖、逸度系數(shù)與溫度的關(guān)系等

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