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【計算+實驗】Appl.?Surf.?Sci. 過渡金屬對鈣鈦礦和MXene界面性質的調控

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要改善光電鈣鈦礦器件的性能并增強電荷提取效率，精細調控界面結構變得至關重要。近日，武漢科技大學王玉華和安陽工學院郭堯發表了關于Cs₂AgBiBr₆和M₃C₂異質結構的第一性原理研究的文章，碩士研究生方柳入為第一作者。研究結果為Cs₂AgBiBr₆光電鈣鈦礦器件提供了有價值的理論指導。

在這項研究中，我們構建并表征了Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂（其中M = Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta和W）異質結構，采用了密度泛函理論（DFT）和實驗研究的結合。結果表明，與Cs₂BiBr₃/M₃C₂異質結構相比，AgBiBr₃/M₃C₂異質結構具有優越的界面特性，顯示出較小的界面距離、更高的結合能和更好的電荷傳輸能力。

在AgBiBr₃/M₃C₂異質結構中，AgBiBr₃/Ti₃C₂和AgBiBr₃/Zr₃C₂顯示出最佳的結合能和電荷傳輸能力。最后，為了驗證理論模型的實驗合成可行性，我們合成了Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復合材料，實驗表征證實了Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復合結構的存在。這些結果為開發高性能的Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質結構用于光電鈣鈦礦器件提供了有價值的理論指導。

結果與討論

可以觀察到與Cs₂AgBiBr₃相比M₃C₂具有較低的平均平面靜電勢，電荷可以從較高電勢的一側移動到較低電勢的一側。從電子局域函數結果可以看出在AgBiBr₃/M₃C₂界面模型中，Br的電子局部化比Cs₂BiBr₃/M₃C₂界面模型更強。

圖1. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂界面的平面平均靜電勢和電子局域函數

電荷密度差異在三維等值面上以藍色和黃色區域表示，分別代表電荷耗盡和電荷積聚區域。沿著z軸方向的平均平面電子密度差異（Δρ）被用來更深入地探究Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質結構中電荷的移動和重新分布過程的細節。

圖2. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂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）

在費米能級附近，觀察到一些新的能量密度態，表明Cs₂AgBiBr₃/M₃C₂界面呈現出特殊的金屬性質，主要歸因于M-5d軌道電子的貢獻。在費米能級以下，Cs₂AgBiBr₃/M₃C₂界面的價帶主要來自Ag-4d、M-5d、C-2p和Br-4p軌道，還有來自Bi-6p、M-5d和C-2p軌道的貢獻。導帶的主要貢獻來自Cs-5d和M-5d軌道，以及Bi-6p和C-2p軌道的貢獻。在-5.3到-2.5eV之間，觀察到Ag-4d和Br-4p軌道與M-5d軌道之間的強烈雜化，表明界面處的M-Br原子和M-Ag原子之間存在強烈的共價鍵。

圖3. Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂異質結構的態密度結果

對于Cs₂AgBiBr₆，約3.4eV處的峰值歸因于Ag和Br的d和p軌道之間的帶間躍遷。至于M₃C₂，約0.7eV的峰值是由于M和C的5d和2p軌道之間的帶間躍遷引起的。

重要的是，Cs₂AgBiBr₆的異質結構中的末端類型和M₃C₂中的早期過渡金屬幾乎不影響峰值的紅移或藍移。進一步分析表明，AgBiBr₃/W₃C₂和Cs₂BiBr₃/W₃C₂在約3.1eV處表現出最高的吸收峰，表明它們在太陽能電池、光電探測器和光通信領域有潛在的應用價值。

圖4. 優化的Cs₂AgBiBr₆/M₃C₂界面的光吸收系數

Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂界面的X射線衍射圖譜顯示了兩種材料的清晰衍射峰，表明在界面處保持了兩種材料的結晶結構。此外，為了驗證理論結果，我們對瞬態光電流響應進行了實驗測試。Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂復合材料的光電流值為0.6微安。原始的Cs₂AgBiBr₆對照組的光電流為0.2微安。這個電流差異顯示了在Ti₃C₂納米片和Cs₂AgBiBr₆之間的界面上，光響應增強且可見，電荷分離效率高。

圖5. Ti₃C₂、Cs₂AgBiBr₆ 和 Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂ 粉末的X射線衍射圖譜，掃描電子顯微鏡圖像，高分辨透射電子顯微鏡圖像以及Cs₂AgBiBr₆/Ti₃C₂ 復合材料的暗場顯微鏡圖像以及相應的元素分布圖

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【計算+實驗】Appl.?Surf.?Sci. 過渡金屬對鈣鈦礦和MXene界面性質的調控

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