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《吉林大学》 2017年
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高通量材料计算方法的开发及其应用于半导体光电材料的优化设计研究

赵信刚  
【摘要】:光电半导体是可以实现光电转化的重要功能材料,广泛应用于二极管、发光电极、太阳能电池和探测器等诸多电子器件。其中,稳定性较高的无机光电半导体材料在光电能源转化、电子信息等领域发挥着重要的作用,市场需求巨大。目前,商业化的无机光电半导体功能材料,例如单晶硅、氮化镓等通常制备工艺复杂,成本相对较高。研发低成本,制备工艺简便、器件生产过程灵活、稳定的新型光电半导体功能材料,及针对其物性进行优化调控,对于以光电材料为基础的电子信息、能源领域具有重要意义。实验通常采用“试错法”研发新材料。然而,通过“试错法”从化学组分、微观结构和合成条件等因素决定的巨大搜索空间中筛选目标材料,不仅开发周期长,而且成本高。以准确的计算机模拟为手段的功能材料的设计,可以为新材料的研发提供有价值的指导,有效降低实验成本,缩短研发周期,逐渐成为新材料的研发的关键环节。本论文发展了高通量材料设计方法,以卤化钙钛矿和二维层状半导体材料为研究对象,开展了系统的材料高通量设计和物性研究工作,取得了以下创新性研究结果:1.自主开发了基于高通量材料计算方法的JUMP2(Jilin University Materials-design Python Package)软件包,为新型功能材料的优化设计提供了有力工具基础。该软件能够面向用户需求,灵活设计大批量的候选材料结构,构建模块化、可反复调用的第一性原理材料计算流程,自动调用第一性原理计算软件开展大规模“材料高通量计算”,统一提取、系统分析计算结果,规范数据结构以形成数据库,进而从数据库中遴选出满足特定功能的新材料。该软件已经申请软件注册权,代码开源,将供国内同行免费使用。以卤化物钙钛矿及二维半导体材料为代表的新型半导体材料是信息与能源科学的前沿热点。基于高通量计算的材料设计方法是高效开发新型半导体材料的有效途径。2.将“阳离子演化”材料设计理念应用于新型卤化钙钛矿光伏材料的优化设计,发现了一系列稳定的、不含铅的双钙钛矿太阳能电池材料,为寻找无毒、稳定的钙钛矿类太阳能材料提供了新思路。我们基于“阳离子演化”理念,用M(Ⅰ)+ M(Ⅲ)离子对替换2个Pb(Ⅱ),构建成一系列的双钙钛矿A2M(Ⅰ)M(Ⅲ)X6结构(A= K+,Rb+,Cs+;M(Ⅰ)= Na+,K+,Rb+,Cu+,Ag+,Au+,In+,Tl+;M(Ⅲ)= Sb3+,Bi3+,Ga3+,In3+;X =F-,Cl-,Br-,I-)。通过第一性原理高通量材料计算,并基于光伏性质为导向的筛选标准,最终从百余种候选材料中遴选出了 17种新型的、无毒的、具有优异光伏性能的双钙钛矿卤化物材料。其中Cs2AgBiCl6,Cs2AgSbCl6,Cs2AgInCl6等已被实验合成印证。同时,还建立了对双钙钛矿卤化物材料的稳定性、电子性质随化学组分演化的规律性认知,为该类材料在其他光电领域的应用提供了有价值的参考。3.通过对二维层状材料能量和电子结构的高通量计算,揭示了影响二维材料剥离能大小的因素,并发现不同二维材料的纵向堆积能够灵活调控材料的带隙大小和直接、间接特性。通过对各种二维材料剥离能的系统计算,发现弱的成键和长程库仑作用是除层间弱的范德华作用之外,决定剥离能大小的重要因素;平面内应力可有效降低剥离能。以剥离能相对较小(易于灵活堆积)的过渡金属硫化物为“构建单元”,通过纵向堆积方式构建超晶格结构,可得到Ⅱ型能带偏移异质结(电子和空穴分属于不同层)。通过选择构建单元并调控组分比例,可连续调控超晶格带隙值,并使带隙发生由间接到直接特性的转变。其背后的物理机制可归因于不同构建单元间的能带偏移特性及其带边电子态对应力的响应不同。研究工作有助于优化二维材料的剥离和组装过程,为二维半导体光电器件的设计提供参考和借鉴。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB34

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