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RESCU亮点文章:GaSbN能带工程在太阳能燃料中的应用
发布时间:2017-09-21  发布人:xiuxiuli

引言

    通过催化水的分解,第Ⅲ族氮化物的纳米材料在太阳能染料的生产过程中表现出优异的性能。为了发挥出最佳的催化效应,催化物的带隙应跨越水分子的氧化还原电位,最佳应为2.2eV。当GaN中In的掺杂浓度到达40%时,带隙可达此值。但是,较高的掺杂浓度引起的较高的晶格失配和应变导致的极化场阻碍了将InGaN作为一种先进的光催化材料大规模的应用于太阳能燃料中。少量的实验研究发现,1%的Sb掺杂可使GaN的带隙由3.4 eV降至1.9 eV。0~1%的掺杂范围,不仅满足了GaSbxN1-x作为太阳能燃料催化剂的带隙需求,而且不会带来很大的晶格变化。

成果简介

  解决了低掺杂浓度的GaSbxN1-x(0<x<1%)的理论研究的缺失。

  1. 低掺杂浓度所需的计算体系很大,如掺杂浓度为0.1%和0.175%时,GaN超胞内分别包含2000+和1152个原子,常规的密度泛函理论程序 (KS-DFT)因为并行效率的问题很难模拟。
  2. 精确计算半导体带隙时需要用到杂化泛函方法,进一步增加了计算量。常规KS-DFT程序在使用杂化泛函方法做计算的极限在上百原子,远小于本文研究的体系大小。
  3. 为了解决这些问题,本文采用先进的数值运算和并行算法的RESCU,不仅能计算大体系,而且其基于的HSE06杂化交换关联泛函能准确的和有效的预测半导体的带隙。

    图一 GaSbxN1-x的Eg(x)-x曲线。插图为GaSbxN1-x和InxGa1-xN的Eg-晶格失配比(以纤维锌矿GaN的晶格常数为基准)曲线。

  计算结果发现:当0<x<1%时,GaSbxN1-x的带隙由3.4 eV急剧下降为1.9 eV,而当1%<x<8%时,其带隙接近饱和。而带隙的急剧减小主要源自于GaN带隙中Sb杂质态的出现。

   图二 GaSbxN1-x价带部分的态密度,(a)规范到相同数目的Sb原子的总态密度,(b)每个原子的总态密度。

   图三 Sb浓度的变化引起的能带位置的变化。

小结

   RESCU计算结果表明,GaN带隙中Sb杂质态的出现及Sb和其周围原子以及其次近邻的N原子的轨道间强量子相互作用导致的GaSbxN1-x的带隙在掺杂范围0<x<1%内急剧减小,且当X≈0.3%时,GaSbxN1-x为太阳燃料应用中催化分解水的理想材料。

 

原文链接:Band engineering of GaSbN alloy for solar fuel applications (Qing Shi, Ying-Chih Chen, Faqrul A. Chowdhury, Zetian Mi, Vincent Michaud-Rioux, and Hong Guo Phys. Rev. Materials 1, 034602 – Published 4 August 2017,                                       

https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.1.034602)

 

相关链接:

  1. RESCU: A real space electronic structure method. Vincent Michaud-Rioux, Lei Zhang, Hong Guo. Journal of Computational Physics 307 (2016) 593-613
  2.  

 

  1. RESCU中文介绍

   http://hzwtech.com/showArticle.jsp?id=127

 

   

 

 

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