Вісник Львівського університету. Серія фізична 61 (2024) с. 137-155
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.61.2024.137

Електронна енергетична структура кристалів CsPbCl3:Sr

О. Бовгира, М. Коваленко, Я. Чорнодольський, О. Підгорний, П. Савшак, А. Волошиновський

Проведено розрахунки із перших принципів структурних, електронних та оптичних властивостей кристалів перовскітів CsPbCl3, легованих іонами Sr2+. Результати показують, що легований стронцієм CsPbCl3 зберігає перовскітну структуру з покращеною структурною стабільністю. Додавання домішок Sr до структури зменшує ймовірність утворення вакансій Cl у перовскітній структурі CsPbCl3. Легування Sr призводить до розширення забороненої зони, що пояснюється впливом орбіталей легуючого елемента на початкову перовскітну структуру та зміщенням найменшої прямої енергетичної щілини із високосиметричної точки R до точки \Gamma. Крім того, легування Sr покращує транспорт носіїв заряду та знижує енергію зв’язку екситонів, покращуючи оптичні переходи. Дослідження також виявляє значні зміни в оптичних властивостях CsPbCl3 після легування стронцієм. Дана робота надає важливі висновки щодо потенціалу легованих перовскітів CsPbCl3 для подальшого розвитку в оптоелектронних застосуваннях.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Kojima A. Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells / A. Kojima // J. Am. Chem. Soc. -- 2009 -- Vol. 131. -- P. 6050. doi: 10.1021/ja809598r.
  2. Li J. Review on recent progress of lead-free halide perovskites in optoelectronic applications / J. Li, J. Duan, X. Yang, Y. Duan, P .Yang, Q. Tang // Nano Energy -- 2021. -- Vol. 80. -- P. 105526. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.105526.
  3. Kulbak M. Cesium enhances long-term stability of lead bromide perovskite-based solar cells / M. Kulbak, S. Gupta, N. Kedem, I. Levine, T. Bendikov, G. Hodes, D. Cahen // J. Phys. Chem. Lett. -- 2016. -- Vol. 7. -- P. 167. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b02597.
  4. Voloshynovskii A. CsPbCl3 nanocrystals dispersed in the Rb0,8Cs0,2Cl matrix studied by far-infrared spectroscopy / A. Voloshynovskii, P. Savchyn, I. Karbovnyk, S. Myagkota, M. C. Guidi, M. Piccinini, A. I. Popov // Solid State Commun. -- 2009. -- Vol. 149. -- P. 593. doi: 10.1016/j.ssc.2009.01.032.
  5. Myagkota S. Luminescent kinetic characteristics of CsPbCl3 aggregates dispersed in Rb 1-x CsxCl (x = 0.05--0.2) matrices / S. Myagkota, A. Gloskovskii, R. Gladyshevskii, A. Voloshynovskii // Condens. Matter Phys. -- 2003. -- Vol. 6. -- P. 325. doi: 10.1088/0953-8984/16/3/024.
  6. Zou S. Stabilizing cesium lead halide perovskite lattice through Mn(II)-substitution for air-stable light-emitting diodes /S. Zou, Y. Liu, J. Li, C. Liu, R. Feng, F. Jiang, Y. Li, J. Song, H. Zeng, M. Hong, X. Chen // J. Am. Chem. Soc. -- 2017. -- Vol. 139. -- P. 11443. doi: 10.1021/jacs.7b04000.
  7. Yao E.-P. High-brightness blue and white LEDs based on inorganic perovskite nanocrystals and their composites / E.-P. Yao, Z. Yang, L. Meng, P. Sun, S. Dong, Y. Yang, Y. Yang // Adv. Mater. -- 2017. -- Vol. 29. -- P. 1606859. doi: 10.1002/adma.201606859.
  8. Lv L. Generalized colloidal synthesis of high-quality, two-dimensional cesium lead halide perovskite nanosheets and their applications in photodetectors / L. Lv, Y. Xu, H. Fang, W. Luo, F. Xu, L. Liu, B. Wang, X. Zhang, D. Yang, W. Hu, A. Dong // Nanoscale. -- 2016. -- Vol. 8. -- P. 13589. doi: 10.1039/C6NR03428D.
  9. Trots D. M. High-temperature structural evolution of caesium and rubidium triiodoplumbates / D. M. Trots, S. V. Myagkota // J. Phys. Chem. Solid. -- 2008. -- Vol. 69. -- P. 2520. doi: 10.1016/j.jpcs.2008.05.007.
  10. Kachhap S. Lanthanide-Doped Inorganic Halide Perovskites (CsPbX 3 ): Novel Properties and Emerging Applications / S. Kachhap, S. Singh, A. K. Singh, S. K. Singh // J. Mater. Chem. C. -- 2022. -- Vol. 10, No. 10. -- P. 3647. doi: 10.1039/D1TC05506B.
  11. Guvenc C. M. Gd 3+ -doped \alpha -CsPbI 3 nanocrystals with better phase stability and optical properties / C. M. Guvenc, Y. Yalcinkaya, S. Ozen, H. Sahin, M. M. Demir // J. Phys. Chem. C. -- 2019. -- Vol. 123, No. 40. -- P. 24865. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b05969.
  12. Milstein T. J. Picosecond quantum cutting generates photoluminescence quantum yields over 100\% in ytterbium-doped CsPbCl 3 nanocrystals / T. J. Milstein, D. M. Kroupa, D. R. Gamelin // Nano Lett. -- 2018. -- Vol. 18. -- P. 3792. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01066.
  13. Chen C. Highly stable CsPbI 3 :Sr 2+ nanocrystals with near-unity quantum yield enabling perovskite light-emitting diodes with an external quantum efficiency of 17.1\% / C. Chen, T. Xuan, W. Bai, T. Zhou, F. Huang, A. Xie, L. Wang, R. Xie // J. Nano Energy. -- 2021. -- Vol. 85. -- P. 106033. doi: 10.1016/j.nanoen.2021.106033.
  14. Clark S. J. First principles methods using CASTEP / S. J. Clark, M. D. Segall, C. J. Pickard, P. J. Hasnip, M. I. J. Probert, K. Refson, M. C. Payne // \mbox{Zeitschrift} F\"{u}r Kristallographie - Crystalline Materials. -- 2005. -- Vol. 220. -- P. 567–570. doi:10.1524/zkri.220.5.567.65075.
  15. Welch E. Density functional theory + U modeling of polarons in organohalide lead perovskites / E. Welch, L. Scolfaro, A. Zakhidov // AIP Advances. -- 2016. -- Vol. 6. -- P. 125037. doi: 10.1063/1.4972341.
  16. Kovalenko M. Structural, electronic and optical properties of CsPbBr 3 and CH 3NH 3PbBr 3: First-principles modeling / M. Kovalenko, O. Bovgyra, \mbox{V. Kolomiets}, V. Kapustianyk, O. Kozachenko // 2021 IEEE 12th International Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT). -- 2021. -- P. 232. doi: 10.1109/ELIT53502.2021.9501119.
  17. Kovalenko M. The local structure, electronic and optical properties of Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 : first-principles study / M. Kovalenko, O. Bovgyra, V. Kapustianyk, O. Kozachenko // Condens. Matter Phys. -- 2024. -- Vol. 27. -- P. 23702. doi: 10.5488/cmp.27.23702.
  18. Abdulkareem A. A. Structural, electronic and optical properties of cubic perovskite CsPbX 3 (X= Br, Cl, and I) / A. A. Abdulkareem, S. A. Sami, B. H. Elias // Sci. J. Univ. Zakho. -- 2020. -- Vol. 8. -- P. 23. doi: 10.25271/sjuoz.2020.8.1.632.
  19. Moller C. K. Crystal structure and photoconductivity of cesium plumbohalides / C. K. Moller // Nature. -- 1958. -- Vol. 182. -- P. 1436. doi: 10.1038/1821436a0.
  20. Zhang M. Influence of Sr doping on the photoelectronic properties of CsPbX 3 (X=Cl, Br, or I): A DFT investigation / M. Zhang, G. Xiang, Y. Wu, J. Liu, J. Leng, C. Cheng, H. Ma // Phys. Chem. Chem. Phys. -- 2023. -- Vol. 25. -- P. 9592. doi: 10.1039/D2CP05867G.
  21. Ahmad M. Structural, electronic and optical properties of CsPbX 3 (X=Cl, Br, I) for energy storage and hybrid solar cell applications / M. Ahmad, G. Rehman, L. Ali, M. Shafiq, R. Iqbal, R. Ahmad, T. Khan, S. Jalali-Asadabadi, M. Maqbool, I. Ahmad // J. Alloys Compd. -- 2017. -- Vol. 705. -- P. 828. doi: 10.1016/j.jallcom.2017.02.147.
  22. Ye Y. Nature of the band gap of halide perovskites ABX 3 (A=CH 3 NH 3, Cs; B=Sn, Pb; X=Cl, Br, I): First-principles calculations / Y. Ye, X. Run, X. H. Tao, H. Feng, X. Fei, W. Lin-Jun // Chin. Phys. B. -- 2015. -- Vol. 24. -- P. 116302. doi: 10.1088/1674-1056/24/11/116302.
  23. Murtaza G. First principle study of the structural and optoelectronic properties of cubic perovskites CsPbM 3 (M = Cl, Br, I) / G. Murtaza, I. Ahmad // Physica B. -- 2011. -- Vol. 406. -- P. 3222. doi: 10.1016/j.physb.2011.05.028.
  24. Shai X. Efficient planar perovskite solar cells using halide Sr-substituted Pb perovskite / X. Shai, L. Zuo, P. Sun, P. Liao, W. Huang, E. P. Yao, H. Li, S. Liu, Y. Shen, Y. Yang // Nano Energy. -- 2017. -- Vol. 36. -- P. 213. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.04.04.
  25. Yao J. Few-nanometer-sized \alpha -CsPbI 3 quantum dots enabled by strontium substitution and iodide passivation for efficient red-light emitting diodes / J. Yao, J. Ge, K. Wang, G. Zhang, B. Zhu, C. Chen, Q. Zhang, Y. Luo, S. Yu, H. B. Yao // J. Am. Chem. Soc. -- 2019. -- Vol. 141. -- P. 2069. doi: 10.1021/jacs.8b11447.
  26. Goldschmidt V. M. Die Gesetze der Krystallochemie / V. M. Goldschmidt // Die Naturwissenschaften. -- 1926. -- Vol. 14. -- P. 477. doi: 10.1007/BF01507527.
  27. Zhang M. Revealing the influence of doping elements (Ge, Sn, Ca, and Sr) on the properties of \alpha -CsPbI 3: A DFT investigation / M. Zhang, G. Xiang, Y. Wu, J. Liu, J. Leng, C. Cheng, H. Ma // Opt. Express. -- 2023. -- Vol. 31. -- P. 28624. doi: 10.1364/OE.497836.
  28. Jiang H. Mono- and Co-doped Mn-doped CsPbCl 3 perovskites with enhanced doping efficiency and photoluminescent performance / H. Jiang, Y. Zhao, F. Liu, Y. Yan, Y. Ma, H. Bao, Z. Wu, W.-Y. Cong, Y.-B. Lu // Materials. -- 2023. -- Vol. 16. -- P. 5545. doi: 10.3390/ma16165545.
  29. Baranowski M. Exciton binding energy and effective mass of CsPbCl 3: a magneto-optical study / M. Baranowski, P. Plochocka, R. Su, L. Legrand, Th. Barisien, F. Bernardot, Q. Xiong, Ch. Testelin, M. Chamarro // Photon. Res. -- 2022. -- Vol. 10. -- P. 2447. doi: 10.1364/PRJ.401872.
  30. Heidrich K. Electronic structure, photoemission spectra, and vacuum-ultraviolet optical spectra of CsPbCl 3 and CsPbBr 3 / K. Heidrich, W. Schafer, M. Schreiber, J. Sochtig, G. Trendel, J. Treusch, T. Grandke, H. J. Stolz // Phys. Rev. B. -- 1981. -- Vol. 24. -- P. 5642. doi: 10.1103/PhysRevB.24.5642.
  31. Yuce H. Improvement of photophysical properties of CsPbBr 3 and Mn2+ :CsPb(Br,Cl) 3 perovskite nanocrystals by Sr2+ doping for white light-emitting diodes / H. Yuce, M. Mandal, Y. Yalcinkaya, D. Andrienko, M. M. Demir // J. Phys. Chem. C. -- 2022. -- Vol. 126. -- P. 11277. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c01244.
  32. Sun P. P. Theoretical insights into a potential lead-free hybrid perovskite: Substituting Pb2+ with Ge2+ / P. P. Sun, Q. S. Li, L. N. Yang, Z. S. Li // Nanoscale. -- 2016. -- Vol. 8. -- P. 1503. doi: 10.1039/C5NR05337D.
  33. Miyata A. Direct measurement of the exciton binding energy and effective masses for charge carriers in organic-inorganic tri-halide perovskites / A. Miyata, A. Mitioglu, P. Plochocka, O. Portugall, J. T.-W. Wang, S. D. Stranks, H. J. Snaith, R. J. Nicholas // Nat. Phys. -- 2015. -- Vol. 11. -- P. 582. doi: 10.1038/nphys3357.
  34. Baroni S. Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory / S. Baroni, S. de Gironcoli, A. Dal Corso, P. Giannozzi // Rev. Mod. Phys. -- 2001. -- Vol. 73. -- P. 515. doi: 10.1103/RevModPhys.73.515.
  35. Ambrosch-Draxl C. Linear optical properties of solids within the full-potential linearized augmented planewave method / C. Ambrosch-Draxl, J. O. Sofo // Comput. Phys. Commun. -- 2006. -- Vol. 175. -- P. 1. doi: 10.1016/j.cpc.2006.03.005.
  36. Adachi S. Properties of semiconductor alloys: group-IV, III-V, and II-VI semiconductors / S. Adachi // John Wiley \& Sons, 2009. -- 400 p. doi: 10.1002/9780470744383.