压控对钙钛矿NaPaO3电子结构、机械性能、热力学性质及光电特性的调控，以实现高效能源应用

《ChemistryOpen》：Pressure-Controlled Modifications in Electronic Structure, Mechanical, Thermodynamic, and Optoelectronic Attributes of Perovskite NaPaO3 for Energy-Efficient Applications

压力诱导NaPaO3钙钛矿氧化物带隙工程研究，发现其电子带隙从3.64 eV降至1.52 eV，力学与热学性质随压力增加呈刚性减弱趋势，光学响应红移至可见光区，为新型能源存储器件和光电器件开发提供理论依据。

　　

摘要

带隙工程是一种通过改变材料的电结构来增加其带隙以适应特定应用的技术。在本文中，我们研究了通过施加压力进行带隙工程对NaPaO₃物理性质的影响。我们在0至24 GPa的压力范围内对NaPaO₃的物理特性进行了评估，每次计算都增加了6 GPa的压力。为了准确考虑交换相关效应，我们使用了mBJ势能模型。在常温条件下测得的结构特性表明，所研究的钙钛矿材料是稳定的。根据Thomas Charpin的方法计算出的机械性能显示，随着压力的增加而呈下降趋势。弹性波、德拜常数和熔化温度也显示出随压力增加而降低的现象，这表明材料的刚度和硬度有所减小。电子带隙的值显示，随着压力的增加，电子带隙显著减小。当压力从0增加到24 GPa时，材料的电子带隙从3.64 eV（R-Γ）降低到1.52 eV（M–M）。光学分析表明，材料的光学性质从紫外区域转移到了可见光区域。这种策略为技术应用创造了新的机会，因为NaPaO₃减小的带隙使其成为储能设备和下一代光电器件的理想候选材料。

图形摘要

本文首次利用第一性原理计算方法研究了NaPaO₃钙钛矿氧化物的压力依赖性结构、热力学、弹性、电子和光学性质。改进的Becke-Johnson（mBJ）交换相关势能模型提供了非常准确的结果。本文计算了带隙剖面及相关性质，这些结果对于光电子学和可再生能源应用具有基础性的重要性。

1 引言

在当前形势下，传统能源似乎正在迅速枯竭[1, 2]。由于对可持续能源的需求不断增长以及减少环境影响的愿望[3，研究和寻找替代能源变得至关重要。随着人口和工业化的迅速增加，化石燃料的消耗量也大幅增加[4]。有许多能源既采用传统技术也采用现代技术，这些技术被广泛使用[5-7]。导致气候变化和全球变暖的主要因素是CO₂，它在化石燃料燃烧时会被过量释放[8。几十年来，用于绿色能源设备的新兴材料一直是研究的重点[91011121314, 15]。钙钛矿材料已被有效地用于设计电容器、传感器、反应器和储能设备[16。同样，钙钛矿太阳能电池彻底改变了太阳能技术[17-19₃）是一种适应性极强的物质，具有广泛的物理特性。与其他材料相比，钙钛矿氧化物能够容纳多种尺寸的阳离子，因此具有更高的灵活性[20₃的结构参数与实验结果完全一致[21₃具有半金属特性[22₃被认为是脆性的，而BaOsO₃则被认为是延性的[23₃（A = Ba, Ca, Sr）的物理特性，结果表明这些氧化物具有延性且硬度较高[24₂ZrTiO₆和Ba₂ZrCeO₆表现出高紫外吸收能力，表明它们有可能用于紫外传感器[25₃（Z = Al, Ga）在紫外范围内具有高吸收能力，适合用于透明太阳能电池[26₂HfNiO₆（A = Sr, Ca, Ba）表现出半金属性质的间接带隙[27₂NiMnO₆的机械特性显示，随着压力的增加，材料从延性变为脆性[28₃的压力驱动改性研究表明，当压力增加到100 GPa时，其带隙增加[29₃的刚度和硬度也会增加[30₃的电子带隙的研究表明，当压力施加到60 GPa时，其带隙从1.69 eV增加到1.93 eV[31³⁺掺杂的Cs₂AgBiCl₆在实用发光应用中显示出巨大潜力[32。Eu掺杂的SrSnO₃钙钛矿的光谱特性表明它们在先进照明技术中具有巨大潜力[33