对XMgI3（X=Ga, In）钙钛矿材料在静水压力作用下的结构、电子、力学和光学性质进行了从头算（ab-initio）研究

《Computational Condensed Matter》：Ab-initio investigation of hydrostatic pressure-dependent structural, electronic, mechanical, and optical properties of XMgI3 (X=Ga, In) perovskites

　　查比·库马尔·斯雷斯塔（Chhabi Kumar Shrestha）| 克里希纳·拉杰·阿迪卡里（Krishna Raj Adhikari）| 卡皮尔·阿迪卡里（Kapil Adhikari）
尼泊尔加德满都基尔蒂普尔（Kirtipur）特里布万大学（Tribhuvan University）物理系

**摘要**
在这项研究中，我们利用密度泛函理论（DFT）框架下的从头算方法，并采用PBE-GGA交换相关泛函，研究了无铅立方卤化物钙钛矿XMgI3（X = Ga, In）在0至6 GPa不同静水压力下的结构、机械和光电性能。本研究的主要目的是探讨XMgI3（X = Ga, In）钙钛矿在不同压力下的物理性质变化。在常温条件下，GaMgI3和InMgI3的晶格参数分别为5.7711 ?和5.7939 ?。随着压力的增加，所研究的钙钛矿的晶格参数、键长和晶胞体积均有所减小。从形成能和容忍因子的分析结果来看，这些钙钛矿在热力学和结构上是稳定的。电子能带结构表明，在0至6 GPa的压力范围内，GaMgI3的间接带隙（Γ→R）从1.28 eV扩大到1.63 eV，InMgI3的间接带隙从1.29 eV扩大到1.73 eV。DOS结构显示所有研究的钙钛矿都呈非磁性。所研究材料满足玻恩稳定性判据，从而确保了其机械稳定性。通过分析普赫（Pugh）比率和泊松（Poisson）比率，发现在常温条件下这两种化合物都具有延展性。光学性质研究表明，两种材料在可见光区域的吸收系数分别为8.97×10^7 m^-1（GaMgI3）和9.05×10^7 m^-1（InMgI3），并且随着压力的增加，吸收系数向高能量光子方向移动，表明这些材料在光电和光伏领域具有潜在应用价值。此外，本研究的结果为未来光伏领域的材料设计提供了宝贵的见解。

**引言**
由于工业化进程的加快、技术进步以及人口增长，全球对能源的需求不断增长，导致化石燃料和不可再生能源的过度使用。因此，世界正面临气候变化等问题，而气候变化是由温室气体排放引起的[1]。为解决这一问题，太阳能被认为是一种可行的选择，因为它是一种清洁、可再生、可持续且环保的能源。为了有效利用太阳能，研究人员专注于开发成本低廉、性能优异且具有长期稳定性的材料。近年来，基于钙钛矿的材料（通用形式为ABX3，其中A和B代表两种阳离子，X代表阴离子）因其卓越的光电性能而受到全球关注[2],[3],[4]。这类钙钛矿因多种结构形式和出色的光伏性能而被广泛应用于发光二极管（LED）、光电探测器、光伏器件、光吸收器和电子设备中[5,6]。根据最新研究，钙钛矿太阳能电池（PSCs）的效率已达到26.1%，与硅基太阳能电池的26.6%相当[7]。尽管钙钛矿具有优异的光伏性能，但由于含有有毒的铅且寿命较短，其在市场中的商业化受到了限制。因此，我们致力于寻找环保、无毒、长期稳定且成本更低的替代钙钛矿材料。XMgI3（X = Ga, In）由于其合适的电子带隙，可能是用于太阳能电池的潜在候选材料。Apon等人[9]研究了基于镁的金属卤化物钙钛矿的光电和机械性能，并因其高的吸收系数和合适的电子带隙而推荐其作为光伏材料的候选者。许多研究关注立方卤化物钙钛矿在光伏领域的应用性，例如Sharma等人研究了CsMgX3（X = Cl, Br）钙钛矿的电学、热电和机械性能，发现它们的热电效率随温度升高而增加，并将其视为热电发电机和紫外线（UV）吸收剂的候选材料[10]。Jehan等人研究了NaXCl3（X = Be, Mg）钙钛矿的光电、结构和机械性能，认为其具有合适的电子带隙，可作为无铅材料的替代品用于光电设备[11]。Datta等人研究了无铅LiMgCl3（M = Mg, Be）钙钛矿的带隙工程，发现其在0至100 GPa的压力范围内带隙从间接带隙变为直接带隙，分别从4 eV变为2.563 eV（LiMgCl3），对于LiBeCl3，带隙从2.388 eV降至0.096 eV[12]。此外，从光学性质分析来看，这类钙钛矿适合用于光电应用。Khan等人利用DFT技术和FP-LAPW方法研究了GaXCl3（X = Be, Ca）钙钛矿的物理性质，发现其直接带隙分别为3.03 eV和4.90 eV，并推荐其用于光电应用[13]。关于XMgI3（X = Li/Na）[14]、LiSnX3（X = Br, Cl）[8]、MgLiX3（X = Cl, Br, I）[15]、RbSrI3[16]、AgBeX3（X = F, Cl）[17]、KGeCl3[18]、AGeI3（A = Rb, K）[19]等立方卤化物钙钛矿的研究也很多，这些研究探讨了它们在光伏领域的结构、机械和光电性能。

**作者贡献声明**
查比·库马尔·斯雷斯塔（Chhabi Kumar Shrestha）：数据整理、调查、初稿撰写。
克里希纳·拉杰·阿迪卡里（Krishna Raj Adhikari）：调查、项目管理、指导、审稿与编辑。
卡皮尔·阿迪卡里（Kapil Adhikari）：概念框架制定、方法论设计、指导、验证、审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者感谢尼泊尔大学教育委员会（UGC）提供的博士学位资助（PHD-80/81-S & T-09）。