Sintonización de la brecha de banda y mejora de las funciones ópticas de AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión para aplicaciones optoelectrónicas mejoradas

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8663 (2022) Citar este artículo

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El estudio actual analiza diligentemente las características físicas de las perovskitas de haluro AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión hidrostática utilizando la teoría funcional de la densidad. El objetivo de esta investigación es reducir la brecha de banda electrónica de AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión para mejorar las características ópticas y evaluar la idoneidad de los compuestos para aplicaciones optoelectrónicas. Los parámetros estructurales exhiben un alto grado de precisión, que se correlaciona bien con trabajos publicados anteriormente. Además, la longitud del enlace y los parámetros de la red disminuyen significativamente, lo que conduce a una interacción más fuerte entre los átomos. Los enlaces entre K(Rb)–F y Ge–F revelan naturaleza iónica y covalente, respectivamente, y los enlaces se vuelven más fuertes bajo presión. La aplicación de presión hidrostática demuestra cambios notables en la absorción y conductividad óptica. La brecha de banda se reduce con el incremento de la presión, lo que resulta en una mejor conductividad. Las funciones ópticas también predicen que los materiales estudiados podrían usarse en una variedad de dispositivos optoelectrónicos que operan en el espectro visible y ultravioleta. Curiosamente, los compuestos se vuelven más adecuados para su uso en aplicaciones optoelectrónicas bajo presión. Además, la presión externa tiene un profundo dominio sobre el comportamiento mecánico de las perovskitas tituladas, lo que las hace más dúctiles y anisótropas.

Las perovskitas cúbicas han obtenido una preferencia sustancial por parte de investigadores y científicos en los últimos años. La aplicabilidad versátil de estas perovskitas en múltiples sectores, por ejemplo, semiconductores, sensores, superconductividad, celdas fotovoltaicas, dispositivos optoelectrónicos y LED (dispositivos emisores de luz)1,2,3 los coloca en el centro de atención. Como resultado, los investigadores realizaron estudios tanto experimentales como teóricos4,5,6,7 sobre el comportamiento físico de los materiales de perovskita para crear nuevas posibilidades para sus aplicaciones en varios campos optoelectrónicos. Curiosamente, la mejora de las células solares de perovskita (PSC) se ha acelerado, lo que ha dado como resultado una eficiencia de conversión de energía (PCE) del 22,1 %8. Hasta ahora, el mejor PCE del 25,2 % se registra para las células solares de perovskita basadas en Pb9, pero tienen una vida útil más corta debido a la humedad, la temperatura y la luz ultravioleta10. Por otro lado, la perovskita de haluro de estaño sin plomo incorporada con yoduro de etilamonio exhibió una PCE de ~ 13%11. En las etapas iniciales, se desarrollaron PSC orgánicos basados en Pb2+ metálico, es decir, CH3NH3PbI3 (o MAPbX3)12,13,14. Pero la toxicidad de estos compuestos orgánicos creaba grandes desventajas. El Pb es una toxina reconocida, lo que crea una serie de obstáculos15. Además, los cationes orgánicos MA+ provocan graves inconvenientes medioambientales, lo que hace que el proceso de fabricación sea extremadamente peligroso y nocivo16. Para anular la toxicidad, los cationes no tóxicos, como Ge2+ y Sn2+, han reemplazado al catión Pb2+, y/o los cationes K+, Rb+ y Cs+ han utilizado para reemplazar la contraparte orgánica15,17,18,19. Por lo tanto, ha aparecido una nueva formación de ABX3 en la que A, B y C denotan el catión monovalente, el catión divalente y el anión halógeno, respectivamente. Las perovskitas inorgánicas basadas en Ge han surgido como una posible alternativa al Pb, ya que poseen una absorción óptica y una conductividad superiores en comparación con las perovskitas basadas en Pb20. A temperatura ambiente, las perovskitas basadas en Ge no presentan ninguna transformación de fase21,22. Además, K y Rb han mostrado un potencial prometedor para aplicaciones fotovoltaicas23. Jain et al.24 han utilizado los cálculos del primer principio en perovskitas RbSn(Cl,Br)3 para evaluar la brecha de banda prominente adecuada para la energía fotovoltaica. Las perovskitas basadas en cationes monovalentes K+ tienen potencial para ser utilizadas en células solares debido a su alta absorción y banda prohibida configurable20,22,25. En estudios recientes, las perovskitas de haluros inorgánicos han sido reconocidas como un material fiable para aplicaciones de células solares25,26. Con el propósito de mejorar las propiedades físicas de las perovskitas de haluro, la aplicación de presión hidrostática ha demostrado resultados tremendos27,28,29,30,31,32. Por lo general, la presión hidrostática modifica los parámetros de la red33, el desplazamiento de cationes y aniones34,35, la rotación de las jaulas octaédricas36, las transiciones de fase37,38, etc. En el caso de los haluros metálicos, las propiedades estructurales, como las constantes de red y el volumen de la celda unitaria, disminuyen al aumentar la presión29 ,32. También se puede detectar un comportamiento idéntico en las perovskitas de haluro. En trabajos recientes, las perovskitas de haluros inorgánicos, como KCaCl339, CsGeI330, RbYbF340 y CsGeI341, han mostrado una reducción en la banda prohibida bajo presión hidrostática, lo que resulta en una mejora de la conductividad. Además, la aplicación de presión puede desarrollar notablemente los parámetros ópticos de las perovskitas de haluro, mejorando la funcionalidad en los campos optoelectrónicos. Por lo tanto, el motivo del presente trabajo es evaluar y examinar los cambios de varias características físicas de las perovskitas de haluro AGeF3 (A = K, Rb) después de aplicar presión hidrostática. Más específicamente, este estudio ha analizado las propiedades estructurales, electrónicas, ópticas y mecánicas de AGeF3 (A = K, Rb) utilizando cálculos de primer principio para observar si la aplicación de presión hidrostática los ha hecho más atractivos para los campos optoelectrónicos o no.

La optimización geométrica establece que los compuestos seleccionados AGeF3 (A = K, Rb) bajo estudio cristalizaron en celdas cúbicas que tienen el grupo espacial Pm-3m (#221). En la celda unitaria, los átomos A (= K, Rb), Ge y F están ubicados en la esquina, el centro del cuerpo y el centro de la cara, respectivamente, con las posiciones de Wyckoff 1a (0, 0, 0), 1b (0.5 , 0,5, 0,5) y 3c (0, 0,5, 0,5), respectivamente. La estructura cristalina optimizada de AGeF3 (A = K, Rb) con sitios cristalográficos se ilustra en la Fig. 1. La constante de red evaluada de KGeF3 a presión ambiental es de 4,451 Å (Tabla 1), que es relativamente más cercana al estudio de referencia (4,46 Å). Å)20. El valor de desviación de 0,2% presenta la alta precisión de este estudio. Para RbGeF3, la constante de red es 4.490 Å (Tabla 1), sin mostrar desviación del trabajo anterior (4.49 Å)20. La presión hidrostática que oscila entre 0 y 30 GPa se aplica sobre ambos compuestos para calcular los parámetros estructurales como se indica en la Tabla 1. La aplicación de presión demuestra un efecto significativo sobre los parámetros estructurales. Los cambios de las constantes de red relativas y el volumen de la celda unitaria con respecto a la presión hidrostática se ilustran en la Fig. S1a, b, respectivamente. Los gráficos trazados revelan la reducción tanto de la constante de red como del volumen de la celda unitaria bajo el ascenso lineal de la presión aplicada. Esta tendencia decreciente de los parámetros de la red bajo presión hidrostática indica la reducción de la longitud del enlace (Tabla 2) dentro de los compuestos. Para justificar la estabilidad de fase de AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión, la energía de formación (ΔEf) se calcula utilizando la siguiente ecuación y se registra en la Tabla 1.

Aquí, Es(A), Es(Ge) y Es(F) son la energía de los átomos A (= K, Rb), Ge y F, respectivamente, mientras que Etot(AGeF3) representa la energía total de la celda unitaria de AGeF3, y N es el número de átomos en la celda unitaria. Los valores negativos de ΔEf a todas las presiones aplicadas revelan la estabilidad termodinámica de los sistemas de haluros titulados42.

La estructura cristalina optimizada de las perovskitas de haluro KGEF3 y RbGeF3.

La evaluación de la naturaleza electrónica de un material requiere la comprensión de su estructura de bandas y densidad de estados. Las estructuras de bandas de KGeF3 y RbGeF3 a diferentes presiones aplicadas se muestran en las Figs. 2 y 3, respectivamente. La línea punteada horizontal en 0 eV denota el nivel de Fermi (EF). A 0 GPa, el máximo de la banda de valencia (VBM) y el mínimo de la banda de conducción (CBM) indicados por líneas verdes y rojas, respectivamente, de ambos compuestos se notan en el punto R de la zona de Brillouin. Por tanto, se encuentra una banda prohibida directa (Eg) de 1,98 eV para KGeF3, mientras que para RbGeF3 es de 2,012 eV. Los valores de Eg encontrados para AGeF3 (A = K, Rb) son bastante consistentes con los valores teóricos obtenidos usando la aproximación GGA-PBE19. Con el aumento de la presión, el CBM de ambos compuestos comienza a moverse hacia el EF, lo que resulta en una reducción de Eg. A 30 GPa, el Eg de KGeF3 cae a 0,16 eV, mientras que es de 0,26 eV para RbGeF3. La reducción de Eg bajo presión para ambos compuestos se presenta gráficamente en la Fig. S2. Existe una relación inversa entre la brecha de banda y la presión externa43, lo que puede aumentar el potencial entre el electrón y el ion responsable de reducir los parámetros de la red (Tabla 1). La brecha de banda en el punto de simetría de la zona de Brillouin se reduce cuando se reduce el parámetro de red. La reducción de Eg permite un fácil transporte de electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Como resultado, la absorción óptica y la conductividad pueden volverse más beneficiosas para las aplicaciones optoelectrónicas.

Estructuras de bandas de KGeF3 bajo presión aplicada.

Estructuras de bandas de RbGeF3 bajo presión aplicada.

Además, la densidad total de estados (TDOS) de AGeF3 (A = K, Rb) se calcula e ilustra en la Fig. S3a, b para explicar las estructuras de banda. La línea discontinua vertical en 0 eV denota el EF. No se observa ningún valor TDOS en EF para ambos compuestos bajo todas las presiones aplicadas, lo que también refleja la naturaleza semiconductora de ellos. Hay una influencia de presión significativa en TDOS en la banda de conducción, donde todos los picos agudos se mueven gradualmente hacia el EF a medida que aumenta la presión. Este cambio de pico es responsable de la reducción de la brecha de banda bajo presión, que también aparece en las estructuras de banda en el punto R. Sin embargo, la densidad parcial de estados (PDOS) es crucial para obtener la contribución atómica de un material para formar su estructura de bandas. Es evidente a partir de las Figs. 4 y 5 que la banda de valencia de ambos compuestos cerca del EF se origina principalmente en los orbitales Ge-4s y F-2p con una pequeña cantidad de orbitales Ge-4p. Por otro lado, la banda de conducción resulta de los estados K-4s (Rb-5s), K-4p (Rb-4p), Ge-4s, Ge-4p y F-2p. Es evidente que el orbital Ge-4p es el principal responsable de estrechar el Eg en ambos compuestos. La hibridación entre Ge-4p y F-2p se promueve elevando la presión externa, lo que eleva las bandas de conducción hacia el EF y reduce la brecha de banda. Además, el acortamiento de la longitud del enlace Ge-F en respuesta a la presión (Tabla 2) podría mejorar la hibridación entre los orbitales Ge-4p y F-2p en la banda de conducción, lo que reduce el CBM en el punto R de la zona de Brillouin (Figs. 2, 3). Por lo tanto, la brecha de banda de KGeF3 (RbGeF3) se reduce de 1,98 (2,012 eV) a 0,16 eV (0,26 eV).

Densidad parcial de estados de KGeF3 bajo presión aplicada.

Densidad parcial de estados de RbGeF3 bajo presión aplicada.

El mapeo de densidad de carga ayuda a visualizar la distribución de carga alrededor de los átomos y la naturaleza de enlace de los compuestos. Las Figuras 6 y 7 ilustran el mapeo de la densidad de carga de AGeF3 (A = K, Rb) a lo largo de los planos cristalográficos (100) y (200). Las escalas del lado derecho indican la densidad de electrones, en la que los colores azul y rojo imparten intensidad baja y alta, respectivamente. A presión ambiental, los átomos de K(Rb) y F exhiben contornos de carga esféricos a lo largo del plano (100), manifestando la existencia de enlaces iónicos entre ellos (Figs. 6a, 7a). Además, se predice una naturaleza de enlace covalente de Ge-F, ya que se observa la forma elíptica de la distribución de carga alrededor de los átomos de Ge y F a lo largo del plano (200) (Figs. 6b, 7b). La densidad de carga también se estima a una presión aplicada de 30 GPa para comprender el efecto de la presión en la distribución de carga. No hay una diferencia notable en los contornos de carga esféricos alrededor de los átomos K(Rb) y F a lo largo del plano (100) (Figs. 6c, 7c). Sin embargo, los contornos alrededor de los átomos de Ge y F se vuelven más elípticos a lo largo del plano (200), lo que intensifica el enlace covalente de Ge-F (Figs. 6d, 7d). La longitud del enlace de Ge–F es más larga que la de K(Rb)–F (Tabla 1), lo que indica un enlace más fuerte entre los átomos de K(Rb) y F que el enlace entre los átomos de Ge y F. Por lo tanto, el enlace covalente más débil de Ge–F y el enlace iónico más fuerte de K(Rb)–F se exhiben en la estructura cristalina de AGeF3 (A = K, Rb), lo que valida los resultados estimados predichos por los mapas de densidad de carga. La longitud del enlace disminuye monótonamente a medida que aumenta la presión (Fig. S4a, b) y, por lo tanto, los enlaces iónicos/covalentes se vuelven más fuertes.

Gráficos de densidad de carga de KGeF3 a 0 GPa y 30 GPa de presión.

Gráficos de densidad de carga de RbGeF3 a 0 GPa y 30 GPa de presión.

Los haluros metálicos sin plomo (no tóxicos) han servido como fuente de interés debido a sus destacadas características ópticas. Demuestran un rendimiento muy apreciado en dispositivos optoelectrónicos y células fotovoltaicas. Esta sección analiza y analiza en profundidad algunas características ópticas, a saber, absorción, conductividad, reflectividad, índice de reflexión y función dieléctrica. Los resultados se presentan utilizando un vector de polarización electrónica de [100] a presiones de 0 GPa y 30 GPa.

Es necesario determinar la función dieléctrica para obtener el resto de funciones ópticas44. Se puede representar como ε(ω) = ε1(ω) + iε2(ω); donde ε1(ω) y ε2(ω) denotan las partes real e imaginaria de la función dieléctrica, respectivamente45. De acuerdo con la relación de Kramers-Kronig46, ε1(ω) se escribe como,

Por otro lado, ε2(ω) también puede calcularse utilizando los tensores de momento entre las funciones de onda ocupadas y desocupadas47,48.

Aquí, ω significa la frecuencia de la luz. \({\psi }_{k}^{c}\) y \({\psi }_{k}^{V}\) denotan la función de onda de banda de conducción y valencia en k, respectivamente, e es la electrónica carga, Ω representa el volumen de la celda unitaria y U indica el vector unitario a lo largo de la polarización del campo eléctrico incidente. La función delta asegura la conservación de la energía y el momento durante una transición entre estados electrónicos ocupados y desocupados a través de la emisión o absorción de energía fotónica, E. \({E}_{K}^{C}\) y \({E}_ {K}^{V}\) denotan la energía de los electrones en un determinado vector k en las bandas de conducción y valencia, respectivamente. El resto de los parámetros ópticos se calculan utilizando las expresiones dadas en otro lugar49.

El coeficiente de absorción óptica (α) denota la cantidad de energía absorbida por una sustancia por unidad de longitud. La eficiencia de la conversión de energía solar óptima de un material puede describirse simplemente mediante ella. De la Fig. 8a, la absorción no comienza en 0 eV, ya que tanto KGeF3 como RbGeF3 contienen una banda prohibida a presión ambiental. En la región ultravioleta, KGeF3 y RbGeF3 muestran tres picos agudos en el rango de ~ 8–22 eV y ~ 8–18 eV, respectivamente. Entonces, ambos compuestos funcionan como buenos absorbentes en la región ultravioleta a 0 GPa. Cuando se aplica una presión de 30 GPa, ambos compuestos también muestran picos dentro de la región ultravioleta similares a los que se presentan a 0 GPa. En este caso, ambos compuestos muestran un pico adicional a ~ 15 eV. Curiosamente, los espectros de absorción casi comienzan desde 0 eV (pero no 0 eV debido a que tienen una banda prohibida muy pequeña) a 30 GPa (recuadro de la Fig. 8a). La absorción en la región de luz visible se muestra explícitamente en la Fig. 8b. La absorción de ambos compuestos en la región visible es explícitamente mayor a 30 GPa que la observada a 0 GPa. Como resultado, se espera que las perovskitas estudiadas utilicen la energía de la luz visible para la conversión fotovoltaica a una presión de 30 GPa, lo que podría aumentar la eficiencia de las células solares.

Presión óptica inducida calculada (a) absorción frente a energía, (b) absorción frente a longitud de onda, (c) conductividad frente a energía y (d) conductividad frente a longitud de onda de AGeF3 (A = K, Rb).

La fotoconductividad es otro término de la conductividad óptica (σ). Se refiere a la conductividad de los fotones en una sustancia50. La Figura 8c ilustra el σ de AGeF3 (A = K, Rb) a presiones de 0 GPa y 30 GPa. A 0 GPa, las perovskitas exhiben σ en el área visible. El σ alcanza su valor máximo en ε1(ω) negativo (Fig. 9c). Por lo tanto, KGeF3 y RbGeF3 muestran un máximo de σ en la región de energía ~ 22–24 eV y ~ 18–22 eV, respectivamente. A 30 GPa, ambos compuestos muestran un aumento de σ en la región visible (Fig. 8d). Al igual que a 0 GPa, el pico σ más alto de KGeF3 está en la región de energía ~ 22–24 eV. Pero el pico más alto de σ cambia ligeramente al rango de energía ~ 19–21 eV para RbGeF3. Sin embargo, el σ de ambos compuestos aumenta significativamente en la región visible bajo presión, como se puede ver en la Fig. 8d, debido a una mayor absorción.

Espectros inducidos por presión calculados de (a) reflectividad óptica, (b) índice de refracción, (c) parte real de la función dieléctrica y (d) parte imaginaria de la función dieléctrica de AGeF3 (A = K, Rb).

La reflectividad (R) es una característica óptica crítica para las aplicaciones fotovoltaicas de los materiales. Cuando se exponen a fotones de muy baja energía, KGeF3 y RbGeF3 reflejan alrededor del 10% de la luz incidente (Fig. 9a). Se eleva para ambas sustancias cuando transitan del rango infrarrojo al visible. Después de transitar a la región ultravioleta, KGeF3 y RbGeF3 exhiben su pico R más alto en ~ 23 eV y ~ 20 eV, donde la parte real de la función dieléctrica es negativa. Bajo una presión de 30 GPa, la R de ambos compuestos aumenta al 20 % con energía cero. La aplicación de presión aumenta la R de ambos materiales en casi todas las regiones de energía. Sin embargo, la R relativamente más baja (con o sin la aplicación de presión) en la región de baja energía indica la potencialidad de ambos compuestos en aplicaciones de células solares. Además, ambos compuestos deben aplicarse como material de recubrimiento para minimizar el calentamiento solar debido a su mayor R en la región de alta energía51.

El índice de refracción (n) se usa para determinar la cantidad de luz doblada o refractada cuando entra en una sustancia. Además, la velocidad de fase de una onda electromagnética en un medio también se puede calcular mediante n. De acuerdo con la Fig. 9b, el n de ambos compuestos es prominente a baja energía y muestra una naturaleza fluctuante en la región de alta energía. Cuando se aplica una presión de 30 GPa, la n de ambos compuestos aumenta significativamente a 0 eV. Esto implica que AGeF3 (A = K, Rb) debería ser preferible para dispositivos ópticos, como cristales fotónicos y guías de ondas52.

La función dieléctrica caracteriza la interacción de un material con la radiación electromagnética entrante. Como resultado, es fundamental tener conocimiento sobre la función dieléctrica para aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos. Las partes real (ε1) e imaginaria (ε2) de la función dieléctrica de AGeF3 (A = K, Rb) se muestran en la Fig. 9c, d, respectivamente. La función dieléctrica estática, ε1 (0) es una cantidad importante, que mide la eficiencia de un dispositivo optoelectrónico15. Un material con un mayor ε1 (0) tiene una menor tasa de recombinación de carga, lo que resulta en un mejor rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos52. A presión ambiental, ambos compuestos muestran una energía baja ε1 idéntica, que aumenta en la región visible del infrarrojo y disminuye al entrar en la región ultravioleta. Además, tanto KGeF3 como RbGeF3 muestran ε1 negativo en un rango de energía de ~ 22 a 24 eV a ~ 18 a 22 eV, respectivamente. Esto implica que los compuestos muestran una alta reflectividad en esa región de energía, lo cual es evidente en la Fig. 9a. Cuando se aplica una presión de 30 GPa, el ε1 (0) aumenta notablemente debido a la menor recombinación de cargas, lo que hace que los compuestos sean aún más adecuados para aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos. A 0 GPa, el ε2 es más alto en la región visible y ultravioleta temprana, lo que transmite una alta absorción en esas regiones53. Pero el espectro de ε2 se desplaza hacia la región de baja energía a alta presión. Específicamente, los valores más grandes de ε1 y ε2 a baja energía, junto con los más pequeños de ε1 y ε2 en áreas de alta energía, evidencian la viabilidad de ambos compuestos en microelectrónica y circuitos integrados39, y la superioridad aumenta considerablemente bajo presión.

Las constantes elásticas (Cij) se utilizan generalmente para determinar la estabilidad estructural y las características mecánicas de un material. La naturaleza elástica describe cómo un material se deforma bajo tensión antes de recuperarse y volver a su forma original una vez que se retira la carga. Es importante revelar información sobre las propiedades de unión entre planos atómicos adyacentes, la naturaleza anisotrópica y la estabilidad estructural54. Un compuesto cúbico tiene tres constantes elásticas independientes: C11, C12 y C44. La Tabla 3 enumera las presiones calculadas de C11, C12, C44 y Cauchy (C12 − C44) para estos dos compuestos bajo presión. Las constantes elásticas a presión ambiental son comparables con las del estudio informado20, pero aumentan linealmente a medida que aumenta la presión (Fig. S5a). Dado que los requisitos de estabilidad bien conocidos de Born (C44 > 0, C11 − C12 > 0 y C11 + 2C12 > 0)55 se corresponden muy bien con todas las constantes elásticas calculadas, ambos compuestos estudiados son mecánicamente estables incluso bajo presión aplicada. Además, C12 − C44 puede identificar la fragilidad y ductilidad de los materiales. Si C12 − C44 posee un valor positivo (negativo), el material debe ser dúctil (frágil)56. Por lo tanto, se espera que los compuestos del título sean dúctiles debido a que tienen valores positivos de C12 − C44 (Tabla 3). Sin embargo, KGeF3 es ligeramente más ductil que RbGeF3 (Tabla 3).

Varias características mecánicas esenciales, como el módulo de volumen (B), el módulo de corte (G), el módulo de Young (E), la relación de Poisson (v), la relación de Pugh (B/G) y el índice de anisotropía de Zener (A) de AGeF3 (A = K, Rb) se determinan usando el Cij estimado y se presentan en la Tabla 4 con los datos reportados disponibles20. La B y la G se determinan utilizando el esquema de Voigt-Reuss. Los coeficientes de Voigt y Reuss describen los límites superior e inferior del módulo efectivo, respectivamente. Para redes cúbicas, el módulo de volumen de Voigt (BV) y el módulo de corte de Voigt (GV), así como el módulo de volumen de Reuss (BR) y el módulo de corte de Reuss (GR) se describen mediante las conocidas expresiones57,58. Según la teoría de Hill59, la B y la G son la media aritmética de las expresiones de Voigt y Reuss. Además, E y v son proporcionados por las ecuaciones reportadas en otra parte59. La B y la G representan resistencia a la fractura y deformación plástica, respectivamente. Debido a que tiene mayor B y G, RbGeF3 es más resistente a la fractura y a la deformación plástica que KGEF3 (Fig. S5b). E es una medida de la rigidez del material y tiene una relación proporcional. Como resultado, RbGeF3 será más rígido que KGeF3. Sin embargo, la aplicación de presión induce una mayor resistencia a la fractura ya la deformación plástica, además de hacerlos más rígidos que los que presentan los compuestos sin presión. La variación de los módulos elásticos bajo presión aplicada se representa gráficamente en la figura S5b.

El valor crítico de v para distinguir la naturaleza dúctil o frágil de un material es 0,2660. Se dice que un material es dúctil si v es mayor que 0,26. Por lo tanto, tanto KGeF3 como RbGeF3 se concluyen como materiales dúctiles (Tabla 4). Otra característica esencial es B/G, que tiene un valor crucial de 1,75 para dividir los materiales sólidos en dúctiles o frágiles61. Los valores calculados de B/G también revelan el comportamiento dúctil de ambos compuestos (Tabla 4). Sin embargo, la ductilidad de KGeF3 es ligeramente superior a la de RbGeF3. La ductilidad de los compuestos estudiados a 0 GPa se ha predicho previamente20, lo cual es consistente con este estudio. Visto desde las Figs. S6a,b que tanto v como B/G, respectivamente, aumentan con el aumento de la presión, lo que exhibe una naturaleza más dúctil de los compuestos estudiados bajo presión. Curiosamente, el resultado de vy B/G se parece completamente a los datos de C12 − C44 (Tablas 3, 4).

En ingeniería aplicada, la capacidad de observar la influencia de la anisotropía elástica en estas características es fundamental62. Las propiedades de un sistema pueden depender de la dirección y se utiliza el índice anisotrópico para calcularlo. Por ejemplo, el factor anisotrópico de cizalla se utiliza para determinar el grado de anisotropía en la fuerza de enlace de los átomos a lo largo de diferentes planos cristalográficos. Se han encontrado tres factores anisotrópicos de corte A1, A2 y A3 a lo largo de los planos (100), (010) y (001), respectivamente63. Para sistemas cúbicos, estos son similares al factor de anisotropía de Zener (A) y pueden determinarse mediante la fórmula empírica64. Un material isotrópico debe tener el valor unitario de A y la desviación de la unidad denota anisotropía65. Ambos compuestos exhiben una naturaleza anisotrópica, que se mejora bajo presión (Tabla 4). Sin embargo, KGeF3 muestra más anisotropía en comparación con KGeF3. La Figura 10a–c muestra la dependencia de la dirección de E, G y v, respectivamente, a una presión de 0 y 30 GPa para resaltar el carácter anisotrópico de KGeF3 y RbGeF3. La isotropía de está representada por gráficos 3D esféricos, mientras que la anisotropía se revela mediante gráficos no esféricos7. La anisotropía elástica de las perovskitas estudiadas aparece en todas las direcciones, como lo indican los gráficos de contorno 3D no esféricos. La desviación de los gráficos esféricos es más extrema a una presión de 30 GPa que la exhibida a una presión de 0 GPa, lo que manifiesta que la presión aplicada puede promover la anisotropía de AGeF3 (A = K, Rb).

Representación 3D anisotrópica de (a) módulo de Young, (b) módulo de corte y (c) relación de Poisson de AGeF3 (A = K, Rb) a 0 y 30 GPa de presión.

Las características físicas de las perovskitas de haluro sin plomo AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión hidrostática se investigan mediante DFT. La constante de red y el volumen celular revelan similitudes con los estudios disponibles, pero disminuyen con la aplicación de presión. Con el aumento de la presión, la brecha de banda se estrecha considerablemente, lo que mejora las funciones ópticas y hace que los compuestos sean adecuados para aplicaciones de células solares. Los enlaces iónicos/covalentes en los compuestos también se fortalecen bajo presión. Ambos compuestos exhiben naturaleza dúctil a presión ambiental, determinada por su presión de Cauchy, relación de Poisson y relación de Pugh. Los compuestos se vuelven más dúctiles debido al efecto de la presión. La naturaleza anisotrópica de ambos compuestos demuestra una naturaleza similar como ductilidad. Por fin, se puede esperar que esta literatura arroje nueva luz sobre la mejora de las células solares de perovskita y sus posibles aplicaciones.

Los presentes cálculos son realizados por Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) basado en la teoría funcional de la densidad (DFT)66. Las aproximaciones de forma orbital no se tienen en cuenta en el código CASTEP67. Aunque los compuestos KGeF3 y RbGeF3 todavía tienen que sintetizarse, su estructura cristalina se construye tomando los datos cristalográficos informados determinados por la investigación teórica20. Houari et al.20 predijeron que ambos compuestos pueden tener una estructura de tipo perovskita cúbica con el grupo espacial Pm-3m (#221) y que la constante de red es de 4,46 Å y 4,49 Å para KGeF3 y RbGeF3, respectivamente. Se elige la aproximación de gradiente generalizada (GGA) combinada con el funcional de Perdew-Berke-Emzerhof (PBE) para realizar el efecto de correlación de intercambio68. Para evaluar la interacción electrón-ion, se selecciona el pseudopotencial ultrablando tipo Vanderbilt69. La energía de corte es de 900 eV siguiendo una malla de puntos k de 12 × 12 × 12. Para muestrear la zona de Brillouin se considera el esquema Monkhorst-Pack70. Los factores de tolerancia de convergencia se establecen en 5 × 10–6 eV/átomo para la energía total, 5 × 10–4 Å para el desplazamiento máximo, 0,01 eV/Å para la fuerza máxima y 0,02 GPa para la tensión máxima. El algoritmo 71 de Broyden-Fletcher-Goldferb-Shanno (BFGS) se emplea para optimizar la estructura cristalina. Las aproximaciones relativamente similares también se emplearon para optimizar la estructura cristalina de perovskitas de haluro cúbico basadas en Pb y libres de Pb sintetizadas experimentalmente39,72,73,74. En este estudio, la presión hidrostática de hasta 30 GPa con un intervalo de 10 GPa se aplica durante la optimización estructural. La estructura cristalina optimizada está construida por el software VESTA75. Las propiedades electrónicas y ópticas se calculan utilizando los mismos parámetros que se utilizan en la optimización estructural. Las constantes elásticas y los módulos elásticos se determinan mediante el método de "esfuerzo-deformación"76 incorporado en el código CASTEP. El programa ELATE77 se utiliza para crear gráficos de contorno anisotrópico tridimensionales (3D) del módulo de Young, el módulo de corte y la relación de Poisson.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados en este estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Rajshahi, Rajshahi, 6205, Bangladesh

Khandaker Monower-Hossain

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Correspondencia a Md Saiduzzaman o Khandaker Monower Hossain.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Alam, MS, Saiduzzaman, M., Biswas, A. et al. Sintonización de la brecha de banda y mejora de las funciones ópticas de AGeF3 (A = K, Rb) bajo presión para aplicaciones optoelectrónicas mejoradas. Informe científico 12, 8663 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4

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Recibido: 18 febrero 2022

Aceptado: 09 mayo 2022

Publicado: 23 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12713-4

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