钙钛矿半导体的结构和电学性质研究

doi:69AAF016E4ACBA35D14E7E2BFAAC9996

	钙钛矿半导体的结构和电学性质研究
	陈雪娇
学位类型	博士
导师	刘雷
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	无机卤族钙钛矿密度泛函理论计算卤族混合合金 Rashba效应狄拉克锥
摘要	卤族钙钛矿是具有钙钛矿结构化学式的一种半导体材料。根据是否包含有机分子离子可将卤族钙钛矿材料分为:有机无机,全无机卤族钙钛矿。该材料具有如下性质:丰富的晶体结构、高的吸收系数、长的载流子扩散距离、带隙可调、明显的自旋轨道耦合和缺陷容忍度等性质。因此,卤族钙钛矿半导体在太阳能芯片、光电探测器、发光二极管、激光以及自旋电子器件等方面具有广泛的应用和期望。然而,目前限制其在商业等领域应用的主要原因是较低的稳定性。此外,通过维度工程可实现全无机卤族钙钛矿材料不同于体块的新奇电学性质。针对以上问题,通过第一性原理密度泛函理论计算,本论文研究了全无机卤族混合钙钛矿材料的结构和电学性质、双层结构中Rashba效应和类石墨烯层状结构的线性色散能带关系,具体结果如下:(1)研究了不同组分比例x时CsPb(Cl_(1-x)Br_x)_3和CsPb(Br_(1-x)I_x)_3的结构和电学性质。首先,通过超胞方法构建不同卤族元素混合比例下的晶体结构模型,并计算其相应的形成能。理论计算结果显示:1,在卤族元素半径差异导致结构扭曲的情况下,该材料依然具有直接带隙特征;2,组分比例变化对光学弯曲参数没有明显影响;3,具有优良的双极输运特性;4,发现特定比例下相分解过程可能导致实验测量结果不匹配理论计算预测。我们的结果证实了基于卤族组分调节可实现高性能宽光谱无机卤族钙钛矿材料光电器件。(2)将空间反演对称性破缺和自旋轨道耦合相结合时,可打破自旋双重简并度实现Rashba效应。我们以双层CsPbBr_3立方相结构为例,发现外加垂直电场可实现Rashba自旋劈裂现象并调控其劈裂强度。发现在PbBr_2终端面时,由于表面弛豫造成价带能带序改变,在适当的电场内实现仅有n-type的能带劈裂。我们的结果说明无机卤族钙钛矿也可以用来制造自旋器件。(3)石墨烯材料为研究相对论量子力学提供了实验平台。其特殊的线性色散能带关系将显著的提高其光电等性能,如超高载流子迁移率。因此发现和探索新的类石墨烯材料将有助于促进二维材料家族的发展和提高相应器件性能。我们构建了(111)晶面双层无机卤族钙钛矿CsPbBr_3结构模型。发现其具有类石墨烯六角蜂窝状晶体结构。通过密度泛函理论计算,进一步证实在理论计算电学能带结构中具有类石墨烯的线性色散关系,在倒空间高对称点K附近可形成狄拉克锥。通过线性拟合求出其费米速度约为0.2×10~6 m s~(-1)。该理论数值仅比石墨烯中电子费米速度较小。此外,通过研究天然层状Cs_3Bi_2Br_9的晶体结构和能带结构也发现了相类似的线性能带结构。因此理论结果说明合理生长特定晶面的二维层状无机卤族钙钛矿样品将有助于观察新奇的物理现象和提高其电学性质,从而扩展卤族钙钛矿在器件方面的应用。
页数	102
DOI	69AAF016E4ACBA35D14E7E2BFAAC9996
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63885
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	陈雪娇. 钙钛矿半导体的结构和电学性质研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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钙钛矿半导体的结构和电学性质研究.caj（5425KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文