现代工学院杨玉荣课题组在计算方法的发展研究中取得新进展

发布者:袁敏敏发布时间:2020-03-23

现代工程与应用科学学院杨玉荣课题组与美国阿肯色大学、苏州大学等单位合作,发展了基于第一性原理的有效哈密顿量计算方法。基于此方法,再现了CsPbI3有限温度下的结构相图,解释了宏观结构和微观结构的联系。此方法的发展,为卤族钙钛矿材料的研究和发展提供了支持。相关成果发表在Advanced Functional Materials上,标题为:Macroscopic and Microscopic Structures of Cesium Lead Iodide Perovskite from Atomistic Simulations (DOI: 10.1002/adfm.201909496)

1. CsPbI3若干理想结构。a) 理想立方Pm-3m相,b)完全有序四方P4/mbm相,c)完全有序正交Pnma相。


有机-无机杂化卤化物钙钛矿具有很好的光伏发电潜力,主要是因为其太阳能电池成本低,能量转换效率高达24%以上。然而,有机-无机杂化卤化物钙钛矿正遭受着不稳定性的困扰。因此,最近人们对所有表现出更好稳定性的无机钙钛矿进行了大量的研究。有趣的是,虽然大家一致认为所有无机卤化物钙钛矿的局部结构与其光电特性(如电子-空穴复合、电荷屏蔽、光子循环效应、载流子扩散长度和载流子寿命)有内在联系,但目前尚不清楚这种局部和整体结构之间的区别。显然,拥有一种能够在全无机卤化物钙钛矿有限温度下准确预测大超胞微观结构的原子级工具,有助于对局部和整体结构的总体洞察。在此之前还没有这样的工具,杨玉荣课题组发展了这样的方法,利用它再现了实验结果并揭示了CsPbI3钙钛矿的整体和局部结构特性。

2.根据有效哈密顿量预测的四方P4/mbm相(a)和立方Pm-3m相(b40000步蒙特卡罗计算的CsPbI3结构的xy方向碘八面体转角图。(a)和(b)中的水平和垂直虚线标记ωRxωRy的零,而计数的颜色代码(指示直方图中(ωRxωRy)的扫掠特定值的数目)显示在右侧,蓝色表示该碘八面体转角的结构的数目很少,红色表示该碘八面体转角的结构的数目很多


杨玉荣研究团队从第一性原理出发,发展了有效哈密顿量方法。如式(1),哈密顿量包含点偶极矩和应变的耦合、碘八面体与电偶极矩和应变的耦合的具体形式见式(2)和式(3)。

式中个参数利用第一性原理得到,然后利用蒙特卡罗方法求解各变量,得到结构。利用该方成果预测了从高温到低温,CsPbI3结构分别经历立方相Pm-3m、四方项P4/mbm和正交相Pnma的结构相图,和实验吻合。更重要的是,成功得到各温度下微观结构,解释了微观和宏观的结构联系(如图2) : 1)宏观四方相P4/mbm是许多不同态(包括但不限于Pnma极小态)上涨落的动态平均;2)立方相Pm-3m应分为两个不同的温度区间:一个是高温下的立方I态,表现出强烈的碘八面体旋转但次碘八面体旋转是无序的;另一个发生在低温下的立方II态,其横向的、短程的碘八面体旋转之间存在短程有序。该项研究能加深对卤化物钙钛矿的认识,特别是考虑到结构无序已经影响了它们的电子性质。

南京大学现代工程与应用科学学院杨玉荣为论文通讯作者,合作单位有University of Arkansas、苏州大学,研究得到了中组部、国家自然科学基金委面上等项目的支持,并得到南京大学高性能计算中心的的计算支持。