First principles investigation of half-metallicity and spin gapless semiconductor in CH3NH3Cr x Pb1−xI3 mixed perovskites

Huang, Hongkun; Zhu, Zhan-Wu; Zhang, C. K.; He, Ze-Dong; Luo, Shijun

doi:10.1007/s00339-018-1727-x

Cited by 9 publications

(4 citation statements)

References 67 publications

Supporting

Mentioning

Contrasting

Unclassified

Order By: Relevance

“…Serrano-Sanchez et al substituted Cr 2+ for Pb 2+ in MAPb 1– x Cr x Br 2 Cl ( x = 0.25, 0.5) . Magnetic measurements of the Cr 2+ -substituted compounds indicate predominantly antiferromagnetic interactions between the Cr 2+ ions, in contrast to a first-principles study that suggested these materials could be half-metallic ferromagnets as candidate materials for spintronics . Fe 2+ has a large free-ion magnetic moment of 4.9 μ B .…”

Section: An Outlook On Doping In Perovskite Semiconductors and Nanost...mentioning

confidence: 99%

“…176 Magnetic measurements of the Cr 2+ -substituted compounds indicate predominantly antiferromagnetic interactions between the Cr 2+ ions, 176 in contrast to a first-principles study that suggested these materials could be half-metallic ferromagnets as candidate materials for spintronics. 177 Fe 2+ has a large freeion magnetic moment of 4.9 μ B . 178 Several studies have reported Fe 2+ substitution up to 10% 179 and 13% 180 in MA(Pb:Fe)I 3 , and computational analysis suggests that MA(Pb:Fe)I 3 exhibits a large magnetic moment and antiferromagnetic ordering.…”

Section: An Outlook On Doping In Perovskite Semiconductors and Nanost...mentioning

confidence: 99%

See 1 more Smart Citation

A Multi-Dimensional Perspective on Electronic Doping in Metal Halide Perovskites

Amerling

Larson

et al. 2021

ACS Energy Lett.

View full text Add to dashboard Cite

While research on derivatives of both bulk and low-dimensional metal halide perovskite (MHP) semiconductors has grown exponentially over the past decade, the understanding and intentional applications of electronic doping have lagged behind. In this Focus Review, we take a critical look at these challenges by considering the different potential doping routes, the advantages and pitfalls of each route, and the unique properties of MHP systems that may contribute to the inherent difficulties of realizing successful electronic doping. We specifically consider low-dimensional MHP derivatives as a case study, given that the mechanistic understanding of how defect chemistry affects electronic doping has been studied less extensively in these systems than in their three-dimensional counterparts, but we also consider lessons learned from the prototypical bulk methylammonium lead iodide perovskite semiconductor to inform our discussion. We discuss the potential roles that the partially ionic nature of the chemical bonds and the soft, polarizable nature of the lattice may play in the realization of doping in MHPs, with an emphasis on defect chemistry, redox side reactions, and polaronic stabilization. Informed by relevant case studies, we illustrate lessons taken from the literature and our own experience in an effort to provide a foundation for successful electronic doping of MHPs. We conclude that the successful realization of doped MHPs will likely hinge upon careful consideration and application of doping strategies and mechanisms that have been established in both the inorganic and organic semiconductor fields over the past several decades.

show abstract

Section: An Outlook On Doping In Perovskite Semiconductors and Nanost...mentioning

confidence: 99%

Section: An Outlook On Doping In Perovskite Semiconductors and Nanost...mentioning

confidence: 99%

A Multi-Dimensional Perspective on Electronic Doping in Metal Halide Perovskites

Amerling

Larson

et al. 2021

ACS Energy Lett.

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…Members of the MOF family are regarded as potential candidates for SGSs in 2D materials. 70 Owing to the success of the molecular building method, MOFs have been widely investigated, allowing their structures and physical properties to be precisely controlled at molecular level. [71][72][73] Thus, they merit consideration with respect to the design of DSGS materials.…”

Section: Two-dimensional Metal-organic Framework (Mofs)mentioning

confidence: 99%

Recent advances in Dirac spin-gapless semiconductors

Wang

Cheng

et al. 2018

Applied Physics Reviews

View full text Add to dashboard Cite

Spin-gapless semiconductors (SGSs), the new generation of spintronic materials, have received increasing attention recently owing to their various attractive properties such as fully spin-polarization and high carrier mobility. Based on their unique band structures, SGSs can be divided into two types: parabolic and Dirac-like linear. The linear-type SGSs, also called Dirac SGSs (DSGSs), have real massless fermions and dissipation-less transport properties, and thus are regarded as promising material candidates for applications in ultra-fast and ultra-low-power spintronic devices. DSGSs can be further classified into p-state type or d-state type depending on the degree of contribution of either the p-orbitals or d-orbitals to the Dirac states. Considering the importance of the research field and to cover its fast development, we reviewed the advances in DSGSs and proposed our own viewpoints. First, we introduced the computational algorithms of SGSs. Second, we found that the boundaries between DSGSs and Dirac half-metals were frequently blurred. Therefore, a simple classification is proposed in this work. Third, we collected almost all the studies on DSGSs published in the past six years. Finally, we proposed new guidance to search for DSGSs among 3D bulk materials on the basis of our latest results.

show abstract

“…Τα υλικά με υψηλή πόλωση σπιν που έχουν μηδενικό χάσμα στη μία κατάσταση σπιν και μη μηδενικό στην άλλη (spin gapless semiconductors) έχουν μελετηθεί εκτενώς [45,46] . Ωστόσο, ελάχιστη βιβλιογραφία υπάρχει σε περοβσκίτες μηδενικού χάσματος, είτε με σπιν [47] , είτε χωρίς σπιν [48] . Άρα αυτή είναι μία ενδιαφέρουσα πτυχή των αποτελεσμάτων μας.…”

Section: επισκόπηση υπολογιστικής πορείαςunclassified

Υπολογιστικές Προσομοιώσεις Από Πρώτες Αρχές Της Ηλεκτρονικής Δομής Συνήθων Και Υβριδικών Αλογονούχων Περοβσκιτικών Υλικών

Κολιογιώργος¹

View full text Add to dashboard Cite

Οι αλογονούχοι περοβσκίτες είναι μία κατηγορία υλικών των οποίων οι πολύπλευρες φυσικές, χημικές, οπτικές και ηλεκτρονικές τους ιδιότητες τούς έχουν φέρει στο επίκεντρο της έρευνας για νέες φωτοβολταϊκές και οπτοηλεκτρονικές διατάξεις. Ιδιαίτερα στον τομέα της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας, χαρακτηριστικά τους όπως η υψηλή κινητικότητα φορέων αγωγιμότητας και το χαμηλό κόστος σύνθεσης τα έχουν κάνει ιδιαίτερα ελκυστικά. Ταυτόχρονα, ζητήματα όπως η σταθερότητα και η τοξικότητα, αποτελούν ανασταλτικούς παράγοντες, που ζητούν αντιμετώπιση. Αναπόσπαστο και αναγκαίο κομμάτι της πειραματικής σύνθεσης νέων περοβσκιτικών υλικών αποτελεί η υπολογιστική μελέτη της ηλεκτρονικής τους δομής, καθώς από την ηλεκτρονική δομή πηγάζουν όλες οι ηλεκτρονικές τους ιδιότητες που αποτελούν το ζητούμενο στην πειραματική έρευνα. Στη διδακτορική διατριβή αυτή χρησιμοποιήθηκαν υπολογιστικά εργαλεία που βασίζονται στις πρώτες αρχές (ab-initio) και τη θεωρία συναρτησιακού πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT) ώστε να μελετηθεί εκτεταμένα και εις βάθος μία μεγάλη γκάμα υπαρχόντων και νέων περοβσκιτικών υλικών, με κύριο ζητούμενο την εύρεση μη τοξικών υλικών με κατάλληλο ενεργειακό χάσμα. Παράλληλα με την έρευνα πάνω στους περοβσκίτες για φωτοβολταϊκές εφαρμογές, αναπτύσσεται σε όλο και μεγαλύτερο βαθμό το τελευταίο διάστημα η πειραματική έρευνα πάνω σε νανοδομημένους περοβσκίτες σε μορφή κβαντικής τελείας και άλλων νανοδομών, λόγω ιδιοτήτων όπως υψηλή φωταύγεια και οπτική απορρόφηση και εκπομπή στο ορατό φάσμα που επιδεικνύουν αυτές οι δομές. Ελάχιστες όμως θεωρητικές και υπολογιστικές μελέτες έχουν γίνει σε αυτή την κατηγορία υλικών. Έτσι, μελετήσαμε μέσω προσομοιώσεων πρώτων αρχών και κβαντικής χημείας την ηλεκτρονική δομή και την οπτική απορρόφηση μιας παρομοίως μεγάλης γκάμας περοβσκιτικών κβαντικών τελειών, ώστε να ανοίξουμε περαιτέρω τον δρόμο σε αυτό το κομμάτι της έρευνας. Ακολουθεί μία σύντομη σύνοψη των κεφαλαίων αυτής της διατριβής.Το 1ο κεφάλαιο παρουσιάζει μια επισκόπηση της θεωρίας που βρίσκεται πίσω από τους υπολογισμούς πρώτων αρχών. Αυτή περιλαμβάνει: την εξίσωση Schrödinger για ένα σώμα και τις απλοποιήσεις της για πολλά σώματα, τη θεωρία DFT και τις προσεγγίσεις της, την έννοια του συναρτησιακού, των βάσεων κυματοσυναρτήσεων και των ψευδοδυναμικών, καθώς καιτων εξισώσεων Kohn-Sham και της αυτοσυνεπούς λύσης τους. Γίνεται επίσης μία ποιοτική περιγραφή των εννοιών της ηλεκτρονικής δομής και του ενεργειακού χάσματος, που είναι κεντρικές στους υπολογισμούς που έλαβαν χώρα.Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μια γενική εισαγωγή στην περοβσκιτική δομή και τα περοβσκιτικά υλικά. Δίνεται κυρίως έμφαση στη δομή της μοναδιαίας κυψελίδας και τα είδη συμμετρίας τους. Γίνεται επίσης μία εισαγωγή στους αλογονούχους περοβσκίτες και τους περοβσκίτες για φωτοβολταϊκές εφαρμογές, περιλαμβανομένης μιας σύντομης περιγραφής του τρόπου λειτουργίας ενός περοβσκιτικού ηλιακού κυττάρου.Στο 3ο κεφάλαιο αναλύονται τα δύο πακέτα λογισμικού με τα οποία γίναν οι υπολογισμοί στη διάρκεια αυτής της διατριβής. Αυτά είναι τα προγράμματα VASP και ORCA. Το πρώτο πρόγραμμα χρησιμοποιείται για υπολογισμούς πρώτων αρχών σε υλικά με περιοδική κρυσταλλική δομή. Το δεύτερο πρόγραμμα χρησιμεύει ιδιαίτερα για μελέτη πεπερασμένων, χαμηλοδιάστατων δομών, όπως μόρια και κβαντικές τελείες. Περιγράφονται αναλυτικά ο τρόπος λειτουργίας και οι παράμετροι των προγραμμάτων που έχουν άμεση σχέση με τους υπολογισμούς που γίναν.Στο 4ο κεφάλαιο, παρουσιάζεται το πρώτο κομμάτι της υπολογιστικής μας έρευνας, που είναι οι υβριδικοί, ή αλλιώς οργανικοί-ανόργανοι, αλογονούχοι περοβσκίτες κυβικής δομής, και οι αλογονούχοι περοβσκίτες καισίου κυβικής και άλλων δομών. Οι περοβσκίτες που εξετάζονται σε αυτό το κεφάλαιο έχουν τη δομή ΑBX3, όπου A είναι το μόριο του μεθυλαμμωνίου (CH3NH3+, ΜΑ) ή το καίσιο, Β τα Pb, Sn, Ge, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd και Hg, ενώ το Χ είναι ένα εκ των αλογόνων F, Cl, Br και Ι. Λαβαίνουν χώρα υπολογισμοί της πλεγματικής σταθεράς ισορροπίας και της ολικής ενέργειας των δομών, της ηλεκτρονικής τους δομής, της πυκνότητας ενεργειακών καταστάσεων (DOS) και της δομής ζωνών (band structure), καθώς και του ενεργειακού τους χάσματος. Γίνεται ξεχωριστή μελέτη του οργανικού μορίου των δομών, καθώς και των μικτών αλογονούχων περοβσκιτών με τύπο MABX2Χ΄. Κοινός παρονομαστής σε αυτό και στο επόμενο κεφάλαιο είναι η εύρεση περοβσκιτών χωρίς μόλυβδο που να έχουν ενεργειακό χάσμα κατάλληλο για φωτοβολταϊκές εφαρμογές.Στο 5ο κεφάλαιο στρέφουμε την προσοχή μας στους αλογονούχους περοβσκίτες με εξαγωνικές και άλλες δομές χαμηλής συμμετρίας που έχουν χημικό τύπο A3B2X9. Σε αυτή την περίπτωση, το Α είναι Cs, Rb, K ή ΜΑ, το B είναι Bi ή Sb, και το Χ είναι Cl, Br ή Ι. Οι πλεγματικές σταθερές αυτών των υλικών είναι παρμένες από την πειραματική βιβλιογραφία. Πάνω σε αυτές τις δομές, γίνονται υπολογισμοί ηλεκτρονικής δομής, δομής ζωνών, DOS, και χάσματος. Περιλαμβάνεται επίσης σε αυτούς τους υπολογισμούς το φαινόμενο σύζευξης σπιν-τροχιάς και η επίδρασή του στο ενεργειακό χάσμα. Δίνεται επίσης ειδική προσοχή στον υβριδικό περοβσκίτη με δομή ΜΑ3Bi2I9 (ΜBI), στον οποίο γίνεται μελέτη των διαφορετικών διατάξεων που έχουν τα οργανικά μόρια μέσα στη δομή κυψελίδας του και της επίδρασης που έχουν στο χάσμα. Όπως και με τους κυβικούς περοβσκίτες, λαμβάνονται συμπεράσματα για το ποια από αυτά τα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία. Γίνεται επίσης μία ξεχωριστή μελέτη του νέου περοβσκίτη MA6BiI5.22Cl3.78 που βασίζεται στον MBI και αναπτύχθηκε από συνεργάτες μας. Εκτελέσαμε ανάλυση δομής ζωνών, DOS και χάσματος πάνω στον περοβσκίτη αυτόν, και βγάλαμε τα αντίστοιχα συμπεράσματα.Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των περοβσκιτικών κβαντικών τελειών. Αυτά είναι νανοδομημένα υλικά αποτελούμενα από μερικές δεκάδες έως μερικές εκατοντάδες άτομα, με τον γενικό χημικό τύπο ΑΒΧ3, όπου Α = ΜΑ ή Cs, Β = Pb, Ge, Sn, Ca, Sr και Χ = Cl, Br και Ι. Κατασκευάζοντας στοιχειομετρικές και μη στοιχειομετρικές κβαντικές τελείες αυτής της δομής, μελετούμε τις δομικές τους ιδιότητες μέσω βελτιστοποίησης της γεωμετρίας τους. Υπολογίζουμε την ηλεκτρονική τους δομή, τις DOS και τα HOMO-LUMO χάσματά τους, και επικεντρωνόμαστε στην οπτική τους απορρόφηση και στα οπτικά τους χάσματα, τα οποία εξάγονται μέσω χρονοεξαρτημένης DFT (TDDFT). Κάνουμε επίσης μια αρχική μελέτη πάνω σε νανοδομές μεγαλύτερου μεγέθους και διαφορετικής δομής.Τέλος, στο 7ο κεφάλαιο κάνουμε μία ανακεφαλαίωση των συμπερασμάτων και ευρημάτων μας και αναφερόμαστε στις επεκτάσεις που έχουν αυτές οι μελέτες μας, καθώς και στις προοπτικές των μακροσκοπικών και νανοδομημένων περοβσκιτικών υλικών.

show abstract

First principles investigation of half-metallicity and spin gapless semiconductor in CH3NH3Cr x Pb1−xI3 mixed perovskites

Cited by 9 publications

References 67 publications

A Multi-Dimensional Perspective on Electronic Doping in Metal Halide Perovskites

A Multi-Dimensional Perspective on Electronic Doping in Metal Halide Perovskites

Recent advances in Dirac spin-gapless semiconductors

Υπολογιστικές Προσομοιώσεις Από Πρώτες Αρχές Της Ηλεκτρονικής Δομής Συνήθων Και Υβριδικών Αλογονούχων Περοβσκιτικών Υλικών

Contact Info

Product

Resources

About