在静水压力作用下，双钙钛矿Ba2NbRhO6的光电、机械和热电性能得到增强

《Computational Condensed Matter》：Enhanced optoelectronic, mechanical, and thermoelectric activities of double perovskite Ba2NbRhO6 under hydrostatic pressures

本文基于密度泛函理论，系统研究了Ba2NbRhO6双钙钛矿材料在0-100 GPa压力下的电子、光学、力学和热电学性能。结果表明，材料在常压下为间接带隙半导体（0.861 eV），带隙随压力增加而增大，最高达1.86 eV；弹性性能显示20-100 GPa压力下材料具有延展性；热电学性能在40 GPa和1000 K时ZT值最大，显示其作为热电转换器件的潜力。

　　

穆米塔·卡图恩（Moumita Khatun）|迪尔·阿弗罗杰（Dil Afroj）|萨尔玛·扎汉（Salma Zahan）|穆罕默德·博尔哈努尔·阿斯菲亚（Md. Borhanul Asfia）|穆罕默德·阿卜杜勒·拉希德（Mohammad Abdur Rashid）

量子材料模拟实验室（Quantum Materials Simulation Lab，简称QMSL），贾绍尔科技大学（Jashore University of Science and Technology）物理系，贾绍尔7408，孟加拉国

摘要

在本研究中，利用密度泛函理论（DFT）在0至100 GPa的静水压力范围内，研究了Ba₂NbRhO₆双钙钛矿的电子、光学、机械和热电性质。通过Goldschmidt容忍因子0.91以及负的形成能$?3.48$ eV/原子，确认了该材料的结构稳定性。电子性质分析表明，该材料在常温条件下具有半导体特性，间接带隙为0.861 eV，并且随着静水压力的增加而增大。吸收边向更高光子能量移动，表明带隙宽度随压力增加而变宽。此外，在施加压力下，光学吸收和光电导率均有所提高，表明其在紫外区域具有增强的光电响应。计算出的弹性性质表明，该化合物在20–100 GPa范围内具有机械稳定性和延展性，而在20 GPa以下则变得脆性。最后，热电性质显示该材料具有高电导率、正的塞贝克系数（Seebeck coefficient）以及在40 GPa和1000 K时的最大热电势（ZT），突显了其作为热电发电机的潜力。

引言

近年来，由于城市人口迁移和对数字设备需求的增加，全球能源消耗持续上升，导致了能源危机。由于传统能源资源的限制及其对经济和环境的负面影响，探索可再生能源以追求可持续发展变得至关重要[1]。目前，科学家和工程师们正将注意力集中在各种能源转换设备上，如太阳能电池和热电发电机，这些设备为化石燃料提供了可持续和环保的替代方案[2]、[3]、[4]。为此，基于氧化物的双钙钛矿材料被视为能源转换和存储应用中的关键材料类别[5]、[6]、[7]、[8]。这些材料遵循通用公式A₂BBO₆，其中A代表碱金属或稀土金属，B和B是两种不同的过渡金属，O是氧[9]、[10]。双钙钛矿在能源收集领域具有重大影响，包括应用于太阳能电池、发光二极管、光伏电池、传感器、燃料电池、激光器、热电装置、X射线探测器、光电探测器和光催化[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。双钙钛矿氧化物材料在光伏和热电应用方面受到了广泛关注，其效率从2009年的3.8%稳步提高至目前的25.7%[18]、[19]。

最近，许多研究人员在常温条件和不同静水压力下对基于氧化物的双钙钛矿材料进行了广泛研究。Hansraj等人[20]报道了对基于钡的直接带隙半导体材料Ba₂SbXO₆（X Nb, Ta）的理论研究。他们发现Ba₂SbNbO₆和Ba₂SbTaO₆在机械上稳定且具有延展性，同时在紫外（UV）区域具有高吸收光谱和良好的优值（ZT），因此在光伏和热电应用中具有巨大潜力。2024年，Belhachi等人[21]探讨了Ba₂NbRhO₆的物理性质，并强调了其在光伏和热电设备中的应用潜力。Sahnoun等人[22]研究了Ba₂FeMoO₆的热电性质，并确认其在低温下具有高效的热电性能。Mir等人[23]对双钙钛矿Ba₂LaNbO₆进行了理论分析，观察到其具有有前景的热电性能，使其适用于可再生能源应用。Qi Dai等人[24]研究了Ba₂ScXO₆（X As, Sb）的结构、光电和机械性质，发现Ba₂ScAsO₆和Ba₂ScAsO₆稳定，并分别具有3.829 eV和4.796 eV的间接带隙，表明它们具有用于光伏应用的潜力。

Muskan等人[25]报道了压力对立方双钙钛矿Ba₂MTaO₆（M Mn, Cr）的电子、磁学、热力学和热电性质的影响，并观察到随着压力从0增加到25 GPa，这两种材料表现出半金属特性。Yanju Wang等人[26]研究了双钙钛矿Ba₂SmSbO₆的压力依赖性结构行为和电子性质，他们的研究提供了关于Ba₂SmSbO₆在高压下的重要信息，并强调了其在压力传感器应用中的潜力。Lokman Ali等人[27]研究了La₂NiMnO₆的压力诱导物理性质，他们的研究表明，随着压力增加，材料从脆性转变为延展性，从而提高了其刚度和柔韧性。Sholagberu等人[28]研究了压力对双钙钛矿Cs₂AgInCl₆的光电和机械性质的影响，他们的发现表明该材料由于其直接带隙和可调节的光电性质，可能是薄膜太阳能电池中吸收层的理想候选材料。Fahim等人对Rb₂NaScCl₆双钙钛矿在不同静水压力下的第一性原理计算表明，该材料在紫外区域具有高吸收率，并在室温下具有0.81的高优值，表明其在光电和热电应用中的潜力[29]。

先前的研究已经揭示了Ba₂NbRhO₆在常温下的优异光电和热电性质[21]。特别是，重的4d过渡金属Rh的存在和坚固的钡基钙钛矿框架表明其电子结构和传输行为对压力具有很强的敏感性。受这些发现的启发，我们旨在研究其在加压条件下的物理性质。据我们所知，此前没有研究系统地探讨过Ba₂NbRhO₆在静水压力下的光电、机械和热电性质。本研究探讨了Ba₂NbRhO₆双钙钛矿在压力下的有趣性质。本研究的目的是为了提高该材料在紫外区域的光电和热电性能，我们系统地分析了Ba₂NbRhO₆在不同静水压力下的物理性质。

计算细节

在本研究中，采用基于密度泛函理论（DFT）的完全势线性化增强平面波（FP-LAPW）方法[30]进行第一性原理计算，该方法在WIEN2k代码[31]中实现。结构优化使用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函和广义梯度近似（GGA）方法[32]来计算研究材料的最佳基态。对于立方体Ba₂NbRhO₆，采用了非重叠球体的muffin-tin半径

结构性质

所研究的化合物Ba₂NbRhO₆具有立方晶体结构，空间群为$Fm\stackrel{?}{3}m$（见图1(a)）。在这种结构中，Ba、Nb、Rh和O原子分别位于Wyckoff位置的8c（0.25, 0.25, 0.25）、4a（0, 0, 0）和4b（0.5, 0, 0）以及24e（0.5, 0.2539, 0）。通过体积优化获得了系统最低能量的基态配置的晶格参数。图1展示了总能量随单元格体积的变化情况

结论

采用DFT框架内的FP-LAPW方法研究了双钙钛矿Ba₂NbRhO₆在静水压力下的物理性质。对于材料最稳定的结构，估计的晶格常数为8.165 ?。Ba₂NbRhO₆的电子能带结构在常温下表现出半导体行为，间接带隙为0.861 eV，并且随着施加压力的增加而逐渐增大，在100 GPa时达到1.860 eV。

CRediT作者贡献声明

穆米塔·卡图恩（Moumita Khatun）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，形式分析，数据管理。迪尔·阿弗罗杰（Dil Afroj）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，形式分析。萨尔玛·扎汉（Salma Zahan）：撰写 – 审稿与编辑，方法论，形式分析。穆罕默德·博尔哈努尔·阿斯菲亚（Md. Borhanul Asfia）：撰写 – 审稿与编辑，形式分析，概念化。穆罕默德·阿卜杜勒·拉希德（Mohammad Abdur Rashid）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件，方法论，形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

穆罕默德·阿卜杜勒·拉希德（Mohammad Abdur Rashid）感谢维也纳技术大学（TU Vienna）提供WIEN2k代码。