钙钛矿光电性能及铑合金力学性能的第一性原理计算

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1、学校代码10530学号201510141427分类号O641密级公开硕士学位论文钙钛矿光电性能及铑合金力学性能的第一性原理计算学位申请人青维指导教师王学业教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二零一八年五月FirstprinciplescalculationsoftheoptoelectronicpropertiesofperovskiteandthemechanicspropertiesofrhodiumalloyCandidateQingWeiSupervisorProfessorWang

2、Xue-YeCollegeChemistryProgramChemistrySpecializationPhysicalChemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateMay,2018钙钛矿光电性能及铑合金力学性能的第一性原理计算摘要本文基于第一性原理计算的CASTEP模块，主要研究内容包括：(1)高压下钙钛矿CsPbI3的电子性质、弹性、光学性能及热力学性质；(2)Rb掺杂CsPbI3的稳定性、力学性能和光电性质；(3)不同压

3、力和温度下Rh3Ta的机械性能和热力学性能；(4)压力对Rh3Al的声子、德拜温度与热力学性能的影响；(5)稀土金属化合物Rh3Ce的电子、力学、振动和热力学性能的第一性原理研究。第一，基于第一性原理方法研究了高压(0~60GPa)下钙钛矿CsPbI3的电子性质、弹性、振动性质、光学性能及热力学性能。计算结果与其他实验数据相比是合理的。带隙结构和态密度结果表明，立方CsPbI3是直接带隙的半导体，在压力的作用下，随压力的增加，带隙逐渐减少甚至消失，总态密度呈下降的趋势。差分电荷密度结果显示，CsPbI3

4、中的离子性能随压力增大有加强的趋势，Mulliken电荷和Hirshfeld电荷结果综合验证了差分电荷密度的分析结果。另外，高压下弹性模量(体积模量B、杨氏模量E、剪切模量G)显示钙钛矿CsPbI3是一种机械性能稳定的材料：B/G结果表明，CsPbI3在0GPa下是一种具有延展性的材料。由声子态密度知，CsPbI3中各原子在不同频率范围内发生振动且随着压力的增加，振动强度也逐渐增大。分析讨论了光学性能，其研究结果显示，CsPbI3是一种高效的光学材料。最后，通过准谐德拜模型，计算了压力和温度作用下，焓H

5、、熵S、亥姆霍兹自由能A及热容CV等物理量的变化情况。第二，运用含超软赝势的第一性原理系统探究了Rb掺杂CsPbI3钙钛矿的稳定性、光电性质及力学性能。研究结果表明，通过能量最小化原理计算，Rb掺杂CsPbI3的平衡晶格参数与实验值和其他理论值都相符。能带间隙可以通过调节Rb的掺杂量来改变，Rb的掺杂量越多能隙越小。基于掺杂形成能准则，发现Cs0.875Rb0.125PbI3比Cs0.5Rb0.5PbI3更稳定。从弹性常数Cij结果显示，Cs1-xRbxPbI3(x=0,12.5%,50%)是一个机械性

6、能稳定的体系。最后，光电性能分析表明，不同掺杂量的Rb使光吸收率、反射率及能量损失峰等均发生明显的红移现象，说明掺杂Rb可以改变钙钛矿CsPbI3的光电效率，另外，综合比较发现Cs0.875Rb0.125PbI3吸收太阳光的效率最高。第三，采用广义梯度近似第一性原理对不同压力和温度下Rh3Ta的热力学性能和机械性能等进行了研究。基于准谐德拜模型，系统地探讨了温度、压力对热膨胀系数α、亥姆霍兹自由能A、吉布斯自由能G、内能U和德拜温度Θ等热力学参数的影响。增大压强使Rh3Ta力学性能增强，包括弹性常数Ci

7、j、弹性模量(B、G、E)等都随压力的升高而增大，B/G和泊松比ν的计算结果则显示，Rh3TaI钙钛矿光电性能及铑合金力学性能的第一性原理计算有良好的延展性且随着压强的增大而增强。第四，应用密度泛函理论的平面波赝势方法，对于Rh3Al体系，考虑压强的条件下，晶格参数a/a0和V/V0随压力的增大而减小。内聚能和生成焓结果显示，0GPa下Rh3Al的结构稳定。声子谱的结果表明，-0.2THz~6.1THz之间是由于Rh原子和Al原子共同振动导致的。很明显，能带结构和态密度结果显示，Rh3Al表现出金属特性

8、，这与其他理论计算结果相符。差分电荷密度图和Mulliken电荷结果显示，Rh3Al中既存在离子键又有共价键。增大压强能改善Rh3Al的机械性能，反映在弹性模量(G、B、E)、弹性常数Cij等参数上。最后，结合准谐德拜模型研究表明，Rh3Al的热力学性能随压强的变化而变化。第五，对于Rh3Ce体系，研究了稀土合金的电子、机械性能、振动性质及热力学性能。结构参数数据显示，Rh3Ce结构稳定，晶格常数与实验值一致。能带结构和态密度结果分析，Rh