n = 2 Ruddlesden-Popper Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)非常規(guī)鐵電性的第一性原理研究*

王朝 張銘 張持 王如志 嚴(yán)輝

(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部， 新能源材料與技術(shù)研究所， 北京 100124)

近年來， 層狀鈣鈦礦材料中存在的非常規(guī)鐵電性為新型鐵電體設(shè)計提供了新的途徑.基于第一性原理，本文系統(tǒng)研究了具有Ruddlesden-Popper (RP) (n = 2) 結(jié)構(gòu)的Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)化合物的基態(tài)結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和非常規(guī)鐵電性.研究表明， Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf) 基態(tài)均為具有A21am極性相的直接帶隙半導(dǎo)體; 其非常規(guī)鐵電性來源于BSe6八面體的兩種旋轉(zhuǎn)模式的耦合.而且， 因具有較強的鐵電極化值與可見光吸收帶隙， Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)有望成為新一代鐵電光伏材料.

1 引 言

由于具有獨特的鐵電光伏性能， 鐵電體在應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注[1，2].傳統(tǒng)光伏器件往往利用PN結(jié)所形成的內(nèi)建電場實現(xiàn)光生載流子分離以形成光伏效應(yīng)[3]， 而鐵電材料由于存在自發(fā)極化， 無需形成PN結(jié)即可自發(fā)實現(xiàn)光生電子與空穴的分離， 呈現(xiàn)鐵電光伏效應(yīng)[4]， 理論上可突破Shockley—Queisser極限而具有廣闊的應(yīng)用前景[5].但是， 目前已知的大部分具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鐵電材料的帶隙寬度(Eg)多大于3.0 eV， 可見光區(qū)的光電轉(zhuǎn)換效率較差[6-8].研究發(fā)現(xiàn)， 通過B位陽離子摻雜可有效減小鈣鈦礦氧化物禁帶寬度， 例如， 具有雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Bi2FeCrO6和[KNbO3]1—x[BaNi1/2Nb1/2O3—δ]x固溶體， 隨摻雜量的變化， 其禁帶寬度在1.4 —2.7 eV可調(diào)[9，10].但B位陽離子摻雜也會增加結(jié)構(gòu)畸變和氧空位， 降低載流子遷移率[7]， 這對提高光電轉(zhuǎn)換效率是不利的.據(jù)報道， 大部分B位陽離子摻雜鐵電氧化物的光生電流密度僅為μA/cm2量級， 其能量轉(zhuǎn)換效率也低于1%， 距離實際應(yīng)用仍存在……