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【純計算】Vacuum 鹵素官能團對鈣鈦礦/MXene界面性質的調控

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為了提高鈣鈦礦器件的光電特性和電荷提取效率，專業的界面工程至關重要。近日，武漢科技大學王玉華和安陽工學院郭堯合作發表了關于MAPbI₃與Ti₃C₂T₂（T = Cl，Br，I）異質結構的第一性原理研究的文章，研究生方柳入為第一作者。研究成果為設計高性能的MAPbI₃復合光催化劑提供了新思路。

計算結果顯示，范德華相互作用在MAPbI₃/Ti₃C₂T₂異質結構的形成中扮演了關鍵角色，并確保了界面的穩定性，同時保持了MAPbI₃的內在電學特性。此外，作者還觀察到界面處存在強烈的軌道雜化作用，這對電子-空穴激發、界面重構、電子再分布和增強穩定性起到重要作用。

通過Bader電荷分析，作者驗證了從MAPbI₃到Ti₃C₂T₂的電子傳輸，并由于界面處顯著的電勢差而形成強烈的內部靜電場，從而促進了電子-空穴的分離。研究也揭示了界面接觸對MAPbI₃/Ti₃C₂T₂異質結構的光吸收特性的影響。與單獨的MAPbI₃或Ti₃C₂T₂相比，MAPbI₃/Ti₃C₂T₂異質結構表現出更高的吸收光譜強度。

值得注意的是，作者觀察到Ti₃C₂T₂的表面功能基團對MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面的光吸收峰值有顯著影響。當表面功能基團從Br變為I時，發生了紅移現象。基于這些發現，作者確定了PbI₂/Ti₃C₂Br₂異質結構具有出色的性能，包括良好的穩定性、顯著的電荷轉移和在可見光范圍內具有強烈的光吸收。

這些研究結果揭示了一種有利結構，展示了其在光催化和器件設計方面的巨大潛力。通過深入了解MAPbI₃/Ti₃C₂T₂異質界面的特性，這將為光電材料的開發和應用提供了重要的科學依據。

結果與討論

圖1. MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面的第一性原理計算流程圖

在本研究中，作者考慮了兩種不同的MAPbI₃界面類型（PbI₂和MAI），以及Ti₃C₂T₂中T為Cl、Br或I的三種不同情況，共研究了六種界面構型。

圖2. MAPbI₃/Ti₃C₂T₂?(T=Cl, Br, I)不同軸向界面的示意圖: (a) MAI/Ti₃C₂Cl₂, (b) MAI/Ti₃C₂Br₂, (c) MAI/Ti₃C₂I₂, (d)PbI₂/Ti₃C₂Cl₂, (e) PbI₂/Ti₃C₂Br₂, (f) PbI₂/Ti₃C₂I₂

為了深入了解原子級別生長的初始階段，作者構建了MAPbI₃在Ti₃C₂T₂上的吸附模型，以說明反應的競爭情況。通過分析作者推測在初始階段，MA的生長更容易發生，當然這也取決于溫度等生長條件。

圖3. Ti₃C₂T₂表面的示意圖和MAPbI₃在Ti₃C₂T₂上計算得到的E_ad

作者指出位于Ti₃C₂T₂側的鹵素原子比位于MAPbI₃側和界面區域的鹵素原子更局部化。結合表1的結果，PbI₂/Ti₃C₂Br₂排列方式的ELF值比其他兩種配置更高，這與上述鍵合水平相對應。

圖4.?優化后的MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面的六種ELF模型：(a) MAI/Ti₃C₂Cl₂，(b) MAI/Ti₃C₂Br₂，(c) MAI/Ti₃C₂I₂，(d)PbI₂/Ti₃C₂Cl₂，(e) PbI₂/Ti₃C₂Br₂，(f) PbI₂/Ti₃C₂I₂

電荷密度的差異，電荷耗盡區域和積聚區域在三維等值面上以青色和黃色區域表示。沿著z軸方向的平均平面電子密度差異（Δρ）可用于進一步研究MAPbI₃/Ti₃C₂Cl₂異質結構中電荷遷移和重新分配的細節。

圖5.?(a) MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面電荷轉移的示意圖，等值面和沿z軸的平均平面電荷密度差異（Δρ）: (b) MAI/Ti₃C₂Cl₂, (c) MAI/Ti₃C₂Br₂, (d) MAI/Ti₃C₂I₂, (e) PbI₂/Ti₃C₂Cl₂, (f) PbI₂/Ti₃C₂Br₂, (g) PbI₂/Ti₃C₂I₂

界面接觸處的內部電場出現與MAPbI₃和Ti₃C₂T₂之間的靜電勢差值直接相關。在所有六種界面配置中，Ti₃C₂T₂的平均平面靜電勢較低，電子具有從MAPbI₃轉移到Ti₃C₂T₂的趨勢。此外，PbI₂/Ti₃C₂T₂連接的功函數比MAI/Ti₃C₂T₂界面更小。對于電子發射而言，表面的功函數較低意味著存在更大的電子逸出可能性。

圖6. MAPbI₃/Ti₃C₂T2的平均平面靜電勢分布：(a) MAI/Ti₃C₂Cl₂，(b) MAI/Ti₃C₂Br₂，(c) MAI/Ti₃C₂I₂，(d) PbI₂/Ti₃C₂Cl₂，(e) PbI₂/Ti₃C₂Br₂，(f) PbI₂/Ti₃C₂I₂

為了探索光電材料的潛在用途并確定其在光照環境下的適應性，需要全面了解其光學性質。Ti₃C₂T₂主要0.15eV附近的峰值。需要注意的是，鹵素變化和MAI、PbI₂表面的切換不會影響峰值的位置。在這個波長范圍內，PbI₂/Ti₃C₂Br₂顯示出最大的光吸收。在3.6 eV處，I和Pb的5p和6p軌道之間的導帶到價帶躍遷貢獻了一個峰值。在界面區域，作者觀察到吸收光譜呈現寬范圍的特征峰，并且這些峰值按照Br、Cl和I的順序呈現規律性的能量下移。

圖7.?優化的MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面的光吸收系數:?(a) Ti₃C₂T₂, (b) MAPbI₃, (d) MAI/Ti₃C₂T₂, (e) PbI₃/Ti₃C₂T₂. (c) 光照下MAPbI₃/Ti₃C₂T₂界面的示意圖

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