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計(jì)算文獻(xiàn)導(dǎo)讀（十三）：Adv. Mater. | 高效藍(lán)光LED材料中，鹵化物鈣鈦礦電子結(jié)構(gòu)的DFT計(jì)算分析
來(lái)源：科學(xué)10分鐘 時(shí)間：2021-09-24 21:52:04 瀏覽：3492次

研究背景

平板顯示器在日常用品中占有超千億美元的市場(chǎng)份額，它的制作依賴(lài)于高效率、高色彩飽和度的藍(lán)色、綠色和紅色發(fā)光二極管(LED)。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)鹵化物鈣鈦礦基光電材料展現(xiàn)出低成本和高性能的特點(diǎn)，具有潛在的LED應(yīng)用價(jià)值。然而，在三原色中，藍(lán)色鈣鈦礦LED材料的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于紅色和綠色，成為了科研人員亟待解決的一大問(wèn)題。

研究結(jié)果

近日，來(lái)自華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院唐江教授團(tuán)隊(duì)的研究人員報(bào)道了一種高效無(wú)鉛鈣鈦礦材料CsEuBr3，其發(fā)光中心為448 nm，顏色坐標(biāo)為(0.15, 0.04)，由Eu-5d→Eu-4f/Br-4p躍遷引起，光帶隙為2.85 eV。進(jìn)一步的光學(xué)表征表明，其激發(fā)態(tài)壽命為151 ns，激子擴(kuò)散速率為0.0227 cm2 s?1，量子產(chǎn)率高達(dá)≈69%。同時(shí)，研究人員基于全真空加工方法構(gòu)建了深藍(lán)色鈣鈦礦發(fā)光二極管(PeLEDs)。在15.9 cd m?2的初始光強(qiáng)下，該器件的最大外量子效率為6.5%，工作半衰期為50分鐘。預(yù)計(jì)這項(xiàng)工作將激發(fā)下一代LED應(yīng)用中對(duì)鑭系鈣鈦礦的進(jìn)一步研究。

計(jì)算分析

在實(shí)驗(yàn)上，研究人員通過(guò)將滿(mǎn)足化學(xué)計(jì)量比的CsBr與EuBr2在780℃的溫度下進(jìn)行48小時(shí)的固相反應(yīng)，合成了CsEuBr3晶體。為了從理論上理解CsEuBr3晶體展現(xiàn)出的優(yōu)良光電性質(zhì)，研究人員進(jìn)一步利用第一性原理密度泛函理論(DFT)來(lái)獲取CsEuBr3的能帶結(jié)構(gòu)以及VBM/CBM處電荷密度的實(shí)空間分布。

圖 1. 無(wú)鉛CsEuBr3鈣鈦礦材料的基本電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。a）晶體結(jié)構(gòu)，b）能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度

↓點(diǎn)擊快速預(yù)約能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算↓ 

如圖1a所示，CsEuBr3具有正交鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，其發(fā)光結(jié)構(gòu)[EuBr6]?傾斜八面體被惰性Cs+陽(yáng)離子包圍，且Eu2+離子半徑為117 pm與Pb2+ (119 pm)相近。為此研究人員在分析CsEuBr3體系的同時(shí)，還將CsEuBr3與CsPbBr3進(jìn)行了對(duì)比。

考慮到體系中存在鑭系元素，在描述強(qiáng)相關(guān)的f軌道電子時(shí)，研究人員使用了簡(jiǎn)化版的Cococcioni 和de Gironcoli的Hubbard (+U)校正，然后對(duì)能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。如圖1b所示，CsEuBr3在Γ點(diǎn)有一個(gè)直接帶隙，帶隙大小為2.85 eV，最低躍遷是偶極允許的，因此熒光(PL)衰減壽命較短，為188.9 ns。CBM主要由Eu-5d軌道構(gòu)成，而VBM是由Eu-4f軌道和Br-4p軌道的一小部分雜化而成。同時(shí)Cs+離子對(duì)CBM和VBM均沒(méi)有貢獻(xiàn)，這類(lèi)似于CsPbBr3 (CBM: Pb-6p軌道，VBM: Pb-6s軌道、Br-4p軌道)等鉛鹵鈣鈦礦材料。

對(duì)于CsPbBr3，Pb-6p、Pb-6s軌道會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的色散，使激子分離變得容易，因此在室溫下具有較低的熒光量子產(chǎn)率(PLQY)。而多余的Cs+離子通常被引入以限制PbBr6?八面體,形成Cs4PbBr6/CsPbBr3核殼結(jié)構(gòu)，并將提高室溫PLQY。

圖 2. 導(dǎo)帶底CBM（a）與價(jià)帶頂VBM（b）處的電荷密度的實(shí)空間分布

對(duì)于CsEuBr3來(lái)說(shuō)，Eu-5d和Eu-4f軌道的空間占據(jù)范圍很小，足以約束激子，如圖2 a, b所示，這意味著該類(lèi)材料自身就具有高PLQY和高激子束縛能的特點(diǎn)，而不需要進(jìn)一步的組分設(shè)計(jì)。

同時(shí)，根據(jù)費(fèi)米黃金定則，[EuBr6]?八面體上電子和空穴電荷密度之間的高重疊度有利于實(shí)現(xiàn)高的輻射復(fù)合率，如圖2 a, b所示。正如預(yù)期的那樣，CsEuBr3材料的絕對(duì)PLQY測(cè)量值為68.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CsPbBr3(<1%)。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1002/adma.202101903

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文字是人類(lèi)用符號(hào)記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具?，F(xiàn)代文字大多是記錄語(yǔ)言的工具。人類(lèi)往往先有口頭的語(yǔ)言后產(chǎn)生書(shū)面文字，很多小語(yǔ)種，有語(yǔ)言但沒(méi)有文字。文字的不同體現(xiàn)了國(guó)家和民族的書(shū)面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類(lèi)進(jìn)入有歷史記錄的文明社會(huì)。
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