Nano Letters：二维卤化物钙钛矿中的缺陷改善

成果简介：

钙钛矿太阳能电池一直是新一代电池研究的热点，而卤化物钙钛矿电池，以其低廉的价格和不亚于商用硅电池的效率引起了广泛的重视，将卤化物钙钛矿人工合成为二维结构后，其有望在纳米电子和纳米光电子领域中得到应用。

近期，加州理工大学的研究学者们在Nano Letters上发表的论文表明，二维卤化物钙钛矿中的缺陷产生分为三种情况：(1)产生电荷载流子，(2)电流载荷子的俘获，散射和重组，(3)载流子静止。这与大多数主流的二维半导体产生缺陷的形式都不一样，而产生差别的原因是这些材料中的化学键合不同。另外，研究人员进一步改变了卤化物钙钛矿所处环境中的化学电势，发现电势的改变能够改善钙钛矿中的缺陷情况。

这项成果对卤化物钙钛矿中缺陷的分析具有十分重要的意义，有望进一步提高该材料的功能和性能。

图文导读：

封面：二维卤化物钙钛矿中的缺陷

图1：二维Rb₂PbI₄的原子结构。

说明：图中的八面体是倾斜的，沿平面内和平面外两个方向 。使用不含自旋轨道耦合的PBE交换相干功能计算出能隙是2.22eV，这与使用更精确的HSE+SOC方法计算出来的2.21eV的能隙吻合。这说明了使用PBE法计算能隙可行，但前提是三维结构的钙钛矿。

左图：二维钙钛矿的原子结构。中间图和右图：能带边缘的电荷密度分布。蓝色代表铅，红色代表碘，灰色代表铷。使用PBE和HSE+SOC方法测出来的能隙都大约是2.2eV。

图2：两种具有代表性的边缘方向上能带结构和电荷密度分布情况。

说明：这两种边缘方向为A向和Z向。A边缘方向沿着简单晶胞的轴，Z向沿着对角线方向。每个边缘方向具有不同的结构，使用标注表示。A-p边缘上，在晶格中铅与铷的配位一致，因此沿边缘形成较低的受主能级。

二维钙钛矿的边缘和电子结构。A代表”armchair”方向，Z代表”zigzag”。加标注代表了特殊的结构。”-p”表示边缘上的受主能级，”-N”表示边缘处于中性状态。自旋极化状态在能带结构中使用不同的颜色表示，电荷密度分布在插图中使用箭头表示。(a)A-p和Z-p边缘，(b)其余部分。

图3：二维钙钛矿的边界情况以及电子结构。

左图点画线表示周期长度。受主能级的电荷密度分布如右图所示。SI中有介绍更多的边界结构情况。

图4：二维钙钛矿中点缺陷的电子能级。

其中一个长条表示两个合并的状态，短条表示单一的状态。自旋极化态用不同的颜色表示，以占用的状态用箭头表示。

图5：沿两条边界线中点缺陷的形成能。

(a)点缺陷和线缺陷的形成能，(b)在二维钙钛矿中点缺陷的形成能。在线缺陷中，这里以沿着A方向的边缘作为范例，其余的可以在SI中找到；涉及到的能量从A-N+。阴影部分表示在100摄氏度热力学平衡的条件下，有可能在10微米大小的正方纸上形成的点缺陷。

新闻参考链接：A different type of defect in 2D materials

文献链接：Two-Dimensional Halide Perovskites: Tuning Electronic Activities of Defects

感谢材料人编辑部张文博提供素材。