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【計(jì)算+實(shí)驗(yàn)】Appl.?Surf.?Sci. 過渡金屬對鈣鈦礦和MXene界面性質(zhì)的調(diào)控

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要改善光電鈣鈦礦器件的性能并增強(qiáng)電荷提取效率，精細(xì)調(diào)控界面結(jié)構(gòu)變得至關(guān)重要。近日，武漢科技大學(xué)王玉華和安陽工學(xué)院郭堯發(fā)表了關(guān)于Cs₂AgBiBr₆和M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一性原理研究的文章，碩士研究生方柳入為第一作者。研究結(jié)果為Cs₂AgBiBr₆光電鈣鈦礦器件提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)。

在這項(xiàng)研究中，我們構(gòu)建并表征了Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂（其中M = Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W）異質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用了密度泛函理論（DFT）和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)合。結(jié)果表明，與Cs₂BiBr₃/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，AgBiBr₃/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的界面特性，顯示出較小的界面距離、更高的結(jié)合能和更好的電荷傳輸能力。

在AgBiBr₃/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，AgBiBr₃/Ti₃C₂和AgBiBr₃/Zr₃C₂顯示出最佳的結(jié)合能和電荷傳輸能力。最后，為了驗(yàn)證理論模型的實(shí)驗(yàn)合成可行性，我們合成了Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)表征證實(shí)了Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復(fù)合結(jié)構(gòu)的存在。這些結(jié)果為開發(fā)高性能的Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于光電鈣鈦礦器件提供了有價(jià)值的理論指導(dǎo)。

結(jié)果與討論

可以觀察到與Cs₂AgBiBr₃相比M₃C₂具有較低的平均平面靜電勢，電荷可以從較高電勢的一側(cè)移動到較低電勢的一側(cè)。從電子局域函數(shù)結(jié)果可以看出在AgBiBr₃/M₃C₂界面模型中，Br的電子局部化比Cs₂BiBr₃/M₃C₂界面模型更強(qiáng)。

圖1. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂界面的平面平均靜電勢和電子局域函數(shù)

電荷密度差異在三維等值面上以藍(lán)色和黃色區(qū)域表示，分別代表電荷耗盡和電荷積聚區(qū)域。沿著z軸方向的平均平面電子密度差異（Δρ）被用來更深入地探究Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)中電荷的移動和重新分布過程的細(xì)節(jié)。

圖2. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂界面電荷轉(zhuǎn)移的示意圖，等值面和沿z軸的平均平面電荷密度差異（Δρ）

在費(fèi)米能級附近，觀察到一些新的能量密度態(tài)，表明Cs₂AgBiBr₃/M₃C₂界面呈現(xiàn)出特殊的金屬性質(zhì)，主要?dú)w因于M-5d軌道電子的貢獻(xiàn)。在費(fèi)米能級以下，Cs₂AgBiBr₃/M₃C₂界面的價(jià)帶主要來自Ag-4d、M-5d、C-2p和Br-4p軌道，還有來自Bi-6p、M-5d和C-2p軌道的貢獻(xiàn)。導(dǎo)帶的主要貢獻(xiàn)來自Cs-5d和M-5d軌道，以及Bi-6p和C-2p軌道的貢獻(xiàn)。在-5.3到-2.5eV之間，觀察到Ag-4d和Br-4p軌道與M-5d軌道之間的強(qiáng)烈雜化，表明界面處的M-Br原子和M-Ag原子之間存在強(qiáng)烈的共價(jià)鍵。

圖3. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質(zhì)結(jié)構(gòu)的態(tài)密度結(jié)果

對于Cs₂AgBiBr₆，約3.4eV處的峰值歸因于Ag和Br的d和p軌道之間的帶間躍遷。至于M₃C₂，約0.7eV的峰值是由于M和C的5d和2p軌道之間的帶間躍遷引起的。

重要的是，Cs₂AgBiBr₆的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的末端類型和M₃C₂中的早期過渡金屬幾乎不影響峰值的紅移或藍(lán)移。進(jìn)一步分析表明，AgBiBr₃/W₃C₂和Cs₂BiBr₃/W₃C₂在約3.1eV處表現(xiàn)出最高的吸收峰，表明它們在太陽能電池、光電探測器和光通信領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖4. 優(yōu)化的Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂界面的光吸收系數(shù)

Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂界面的X射線衍射圖譜顯示了兩種材料的清晰衍射峰，表明在界面處保持了兩種材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。此外，為了驗(yàn)證理論結(jié)果，我們對瞬態(tài)光電流響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復(fù)合材料的光電流值為0.6微安。原始的Cs₂AgBiBr₆對照組的光電流為0.2微安。這個(gè)電流差異顯示了在Ti₃C₂納米片和Cs₂AgBiBr₆之間的界面上，光響應(yīng)增強(qiáng)且可見，電荷分離效率高。

圖5. Ti₃C₂、Cs₂AgBiBr₆ 和 Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂ 粉末的X射線衍射圖譜，掃描電子顯微鏡圖像，高分辨透射電子顯微鏡圖像以及Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂ 復(fù)合材料的暗場顯微鏡圖像以及相應(yīng)的元素分布圖

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