摘要
与传统半导体相比，钙钛矿作为新一代半导体，拥有许多优异的特性。比如较长的载流子寿命和扩散长度、较高的可见光谱吸收系数、较小的有效质量、可调谐的带隙和较高的量子效率等。基于这些优异的性能，钙钛矿在太阳能电池、光泵浦激光器、探测器和发光二极管等光电应用领域有很好的应用前景，目前已应用到发光二极管、激光器、太阳能电池、光探测器、场效应管等器件上。本论文首先综述了钙钛矿的结构分类以及钙钛矿的性能和在各个方面的应用；其次，介绍了基于密度泛函理论的计算方法；再次，研究了2D-RPCsSnBr3的结构和光学特性；接着，研究了应变工程在Ge基和Bi基钙钛矿中的应用；然后，研究了无铅卤化物钙钛矿Cs3Bi2X9(X=I,Br,Cl)在高压下尺寸依赖的带隙缩小和金属化以及研究了多体相互作用对卤化铅钙钛矿瞬态光学特性的影响。最后，总结了本文的主要内容和展望下一步的研究计划。本文主要研究内容如下： 1、以三维立方CsSnBr3为基础，设计了Csn+1SnnBr3n+1-CsBr和CsnSnn+1Br3n+2-SnBr2两种端接模型，理论计算了两种模型的带隙能量、结构和光电子特性。计算结果表明，Csn+1SnnBr3n+1的能带结构为直接带隙，CsnSnn+1Br3n+2的能带结构可以随着层数的增加由间接带隙转变为直接带隙。随着层数从1到5的变化，Csn+1SnnBr3n+1的带隙从1.21减小到0.8eV，CsnSnn+1Br3n+2由1.31减小到1.01eV。此外，我们计算了端接表面处Sn和Br原子的PDOS和CsnSnn+1Br3n+2(n=1)的轨道投影带结构。结果表明，5p-Sn态是CsnSnn+1Br3n+2间接带隙产生的原因。此外，Csn+1SnnBr3n+1和CsnSnn+1Br3n+2的吸收系数与CsSnBr3体材料相当，但是表现出各向异性，而CsnSnn+1Br3n+2的吸收系数在x和y方向上对层数不敏感。 2、研究了CsGeX3(X=I,Br,Cl)钙钛矿在?4%-4%的应变下的结构和光学性质。计算结果表明，CsGeX3钙钛矿的带隙是可以调谐的，CsGeI3，CsGeBr3和CsGeCl3的带隙调谐范围分别为1.16，1.64和1.63eV。通过施加压缩应变，可以得到CsGeI3和CsGeBr3钙钛矿在太阳能电池上的最佳带隙(1.3-1.5eV)，表明可以通过应变有效调节带隙。此外，还研究了CsGeX3钙钛矿的带隙与键长的关系，发现长Ge-X键是导致带隙变化的主要原因。当应变由拉伸应变变为压缩应变时，CsGeX3钙钛矿的电子和空穴有效质量逐渐减小。此外，研究了CsGeX3钙钛矿的吸收系数和反射率随应变的变化规律，为光电子器件的设计提供了新的思路。 3、理论研究了Cs3Bi2Br9钙钛矿在?4%-4%的应变下的电子结构、态密度、电子和空穴的有效质量以及光学性质。计算结果表明，当沿a，b，c单轴和三轴施加?4%-4%应变时，Cs3Bi2Br9钙钛矿的带隙调谐范围分别为0.08，0.07，0.29和0.42eV。结果表明，沿b轴和沿a轴分别增加?4%的压缩应变和4%的拉伸应变时，可使光吸收提高138%和129%。此外，我们使用应变来调节Cs3Bi2Br9钙钛矿的有效电子质量，发现?4%的三轴应变可以降低电子和空穴有效质量，是提高载流子迁移的有效方法。 4、研究了铯铋卤化物Cs3Bi2X9钙钛矿在高压下的晶格常数、能带结构、态密度和吸收系数。结果表明，Cs3Bi2I9,Cs3Bi2Br9和Cs3Bi2Cl9钙钛矿分别在2-3GPa，21-26GPa和25-29GPa达到Shockley-Queisser理论的最佳带隙。在40GPa的压力下，Cs3Bi2I9,Cs3Bi2Br9和Cs3Bi2Cl9钙钛矿的带隙变化分别为3.05，1.95和2.39eV。结果表明，Cs3Bi2I9钙钛矿在17.3GPa时由半导体转变为金属。此外，研究了Cs3Bi2X9钙钛矿的维数和晶格常数、带隙之间的关系。计算结果表明，高压是一种改变晶体结构来调节Cs3Bi2X9钙钛矿光电特性的有效方法，为材料设计和应用提供了一种很有前途的方法。 5、全面考虑激子吸收效应，带隙重整(BGR)效应，带填充(BF)效应和自由载流子的再吸收(FCA)效应，研究了卤化铅钙钛矿(LHPs)瞬态光学性质(Δα,Δn,和ΔR/R)。当LHPs中的卤素元素从I变为Cl时，带边附近的激子吸收变得更加明显。我们发现，由BGR效应引起Δn峰值的大小与ΔR/R峰值的大小相当，这意味着Δn对ΔR/R信号起主导作用。更重要的是，随着载流子浓度的增加，由BGR效应引起的Δn和ΔR/R的漂白信号(N=5×1017cm?3)转化为由BF效应引起的连续态吸收导致的漂白信号(N=5×1018cm?3)。此外，在N=5×1018cm?3处观察到导带底部上方2meV处由BF效应引起的能级填充。这些结果对于阐明LHPs的光物理行为具有重要意义。
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