Advanced Science:非铅双钙钛矿(NH4)2SeBr6结构与性质的压力调控

近年来,铅基钙钛矿材料因其卓越的光电性能备受关注,但其铅毒性和较差的稳定性一直制约着此类材料的应用及推广。基于“异价替代”理念衍生出的非铅双钙钛矿材料,既保持了铅基钙钛矿高对称的结构维度,同时也避免了有毒铅元素的使用。然而,基于非铅双钙钛矿材料制备出的太阳能电池的效率很低,远远达不到理论计算的预期。因此,深入理解非铅双钙钛矿的结构-性质关系,并对其进行有效的物性调控与优化,使其最大程度满足光电器件应用的需求,具有重要的科学意义和实用价值。

高压作为一种能实现精细、准确和干净的物性调控手段,在发现新现象、阐释新物理与新机制以及揭示材料的结构与性能方面发挥着重要作用。郑州大学物理学院郭海中教授、王飞副教授和吉林大学王凯教授利用高压技术,利用高压技术,结合原位高压同步辐射X射线衍射光谱、原位高压拉曼光谱、原位高压吸收光谱和原位高压光学成像,以及第一性原理计算对一种典型的非铅双钙钛矿(NH4)2SeBr6的结构和性能进行了系统的研究。研究发现,(NH4)2SeBr6在11.2 GPa发生结构相变,空间群由Fm-3m变为P42。通过对高压吸收光谱和拉曼光谱的分析,再次验证这一相变的发生。(NH4)2SeBr6的光学带隙随着结构的变化逐渐减小,并在6.57 GPa和11.18 GPa出现两次拐点。第一性原理计算表明,高压下(NH4)2SeBr6的光学带隙主要与八面体[SeBr6]2-内和八面体之间的Br-Br键相关;当压力逐渐增大,最短的Br-Br键从八面体内变成八面体间,Br-Br键重组,带隙出现第一个拐点;当压力足够大,(NH4)2SeBr6发生结构相变,Br-Br键进一步增强同时八面体[SeBr6]2-扭转变形,带隙出现第二个拐点。该工作加深了对非铅双钙钛矿的结构-性能关系以及背后物理机制的理解,为丰富和发展钙钛矿材料的功能特性、探索开发新型钙钛矿材料提供理论依据和实验技术指导。这一成果近期发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201902900)上。