הכחשת תפקוד התיאוריה הקלקוליות לתכנון היברידית אורגנית-באורגנית Perovskites

הבנת תורת תפקוד הכחשה בחומרים

תורת תפקוד הכחשה (DFT) היא שיטה מכנית קוונטית המשמש לחקור את המבנה האלקטרוני של מערכות גוף רבות, במיוחד אטומים, מולקולות, ואת השלבים המוערכים. עבור חומרים מדענים וכימאים, DFT מספק איזון מעשי בין עלות חישובית דיוק, המאפשרת את החיזוי של תכונות מדינת קרקע כגון אנרגיה, כוחות אטומיים, וצפיפות אלקטרונית בהקשר של ביצועים אורגניים, אופטימיזציה חומר DFTic חיוני עבור ביצועים היברידית חיוני עבור DFTic חיוני עבור אופטימיזציה חומר אלקטרו-אלקטרונית כלי ה-אלקטרונית.

התיאוריה מאמתה את הבעיה של רבים-אלקטרונים על ידי התמקדות בדחיסות האלקטרונית ולא את פונקציית הגל הרבים של הגוף.המשפטים המרכזיים, שהוקמה על ידי Hohenberg ו- Kohn, מצב שאנרגיה הקרקעית היא פונקציונלית ייחודית של צפיפות האלקטרונים וכי צפיפות מדויקת ממזערת את הדחיסות הפונקציונלית הזו.

עבור perovskites היברידית, פונקציונליות נפוצה כוללים את היישום הכללי של ⁇ (GGA) עם Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) צורה, לעתים קרובות מוגברת עם תיקונים פיזור אמפיריים (למשל, DFT-D3) כדי לקחת בחשבון עבור וריאציות דרמטיות בין מולקולות אורגניות ומסגרות אורגניות מתקדמות יותר כמו HSE, אשר משלבת פערים אלקטרוניים מדויק יותר, אשר משלבת חלקיק מדויק של חומר חישובי חישובי דיוק, אשר משלבת חלקיק מדויק יותר, אשר משלבת קרינת חישובית של קרינת אבטחה מדויקת יותר, אשר משלבת קרינת אבטחה מדויקת יותר, קרינת Harp מדויקת יותר, אשר משלבת פיזור גבוהה יותר, אשר משלבת קרינת אבטחה מדויקת יותר, פיזור גבוהה יותר, קרינת אבטחה מדויקת של פיזור מדויק יותר, אשר משלבת קרינת רדיו-D.

מה הם אורגני-איורגניים היברידיים Perovskites?

[ה] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]] [ה]]][ה]]]]], [ה]][ה]]]]][ה]]]], [ה[[המאה ה-20]], ו[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]

חומרים אלה כבשו עניין מחקר עצום בגלל המאפיינים האופטו-אלקטרוניקה הבולטים שלהם: מזהמים ספיגה גבוהה, אורך נושא ארוך דיפוזיה, פערי להקה טוטלי, ודנות פגומות נמוכות.יעילות ההמרה של תאים סולאריים perovskite יש הרקיעו מ 3.8% בשנת 2009 ליותר מ 26% במכשירים חד-פעמיים מוסמכים, מתחרים על טכנולוגיית photovoltaic.

המרכיב האורגני מציג גמישות מבנית, התנהגות דינמית בטמפרטורת החדר, והפיכה אלקטרון חזקה, המוביל לתופעות ייחודיות כגון ferroelectricity, רשבה פיצול, ו היווצרות קוטבון. הבנת אינטראקציות מורכבות אלה דורש גישות חישוביות שיכולות ללכוד הן את המבנה האלקטרוני לא אורגני ואת דרגות מולקולריות אורגניות של חופש.

תפקידה של תורת תפקוד הכחשת ההכחשה בעיצוב חומרי

DFT משמש כעובדה חישובית לתכנון והקרנה של perovskites היברידי עם תכונות מותאמות.לפני ביצוע סינתזה ניסיונית יקר ושעה, החוקרים יכולים להשתמש DFT כדי לחזות אילו שילובים של cations אורגני, מרכזי מתכת, ו anionshalide יניב מבנים יציבים עם תכונות אלקטרוניות אופטיות רצויות.

אופטימיזציה מבנית וחיזוי יכולת

(DFT Geolaxs מאפשר למדענים לקבוע את הפרמטרים של שיווי משקל, עמדות אטומיות, ואנרגטיות יחסית של פולימורפים שונים. עבור perovskites היברידי, cation אורגני לעתים קרובות מציג הפרעה אוריינטציה או התחדשות דינמית בטמפרטורות סופיות.DFT יכול לזהות את האוריינטציות החיוביות ביותר להעריך את מחסומים האנרגיה עבור סיבוב, אשר הם קריטי להבנת שינויים שלב (למשל, מעוקב להגדרה גמישה) עם התפתחות אופטיקה או קירור חיובי.

(ב) , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מבנה Band and Band Gap Engineering

אחד הפלטים הנפוצים ביותר DFT הוא מבנה הלהקה האלקטרוני, אשר מראה את הפיזור של רמות האנרגיה האלקטרונית כפונקציה של מומנטום (k-point) באזור Brillouin. for Hybrid perovskites, הלהקה הvalence מקסימום (VBM) בדרך כלל עולה ממדינות נגד מטבולית בין תאי מתכת-bit- אוביטלימי hal p-bitals, בעוד שהלהקה המתבצעת את הביצועים המינימליים (Bi) בין CQ) ל-Mcreative Energy Disvi) חייבת להיות שונה מ-R.

DFT מאפשר פער הלהקה כוונון על ידי החלפת halides שונים, מתכות, או cations אורגניים.לדוגמה, החלפת יוד עם ברוקר מרחיב את פער הלהקה, תוך ערבוב מוביל עם tin מפחית את פער הלהקה לתוך אזור האי-אדום.עם זאת, תקנים סטנדרטיים GGA (למשל, PBE) מזלזלים באופן שיטתי פערים על ידי 30–50% בשל השגיאה עצמית, למרות ניסויים עצביים רבים.

בנוסף, הפיכה ספינ-אוביט (SOC) היא חיונית לחישובים מדויקים של מבנה אלקטרוני של perovskites המכיל אלמנטים כבדים כמו להוביל או tin. SOC פיצול את להקת ההתנהלות, צמצום פער הלהקה קדימה ולשנות את ההמונים היעילים של נושאי המטען. ניכוי SOC יכול להוביל לחיזויים לא נכונים מבחינה איכותית, כגון פער זהב או ההמונים שגויים.

Defect Physics and non-Radiative Recombination

חומרים אמיתיים מכילים באופן בלתי נמנע פגמים נקודה (vacancies, interstitials, אנטיביוטים, וזיהומים) שיכולים לפעול כמרכזי ריבור ולהפחית את יעילות המכשיר.DFT חישובים של אנרגיות היווצרות פגומות ורמות מעבר (מדינות תשלום) לספק תובנה עמוקה על הפגם של perovskites היברידית בשפע. Strikingly, רוב הפגמים הילידים ב perovskites מוביל ליצור מצבים רדודים ליד הקצוות של סגסוגת מאשר פגום סגסוגת עמוק.

לדוגמה, vacancies (VFLT:0reaIFLT:1) הם נפוצים ולהציג רק רמת התורם רדודה, בעוד vacancies (VirFLT:2PbFLT 3: 3) ליצור רמות קבלה עמוקות.DFT מחקרים זיהו גם כי vacancies אורגני הם שפירים כי מולקולות אורגניות בעיקר לתרום לתפקוד אטומי, מאשר למולקולוני אטומים, מאשר לעבור על ידי שינוי כימי.

תחבורה ונושא ניידות

ניידות נושאת המטען היא מדד ביצועי מפתח עבור כל מכשיר Semiconductor. in היברידי perovskites, מנגנון התחבורה עדיין שנוי במחלוקת; כמה מחקרים מציעים תחבורה דמוי להקה עם פיזור phonon, בעוד אחרים מדגישים חישובים קוטביים DFT של ההמונים יעילים (ממבנה הלהקה כורכום) לתת גבול עליון על ניידות באמצעות מודל דאוד.

מחקרים אחרונים DFT שילבו דינמיקת ⁇ הרמונית ונורמליזציה תלויה טמפרטורה גבוהה יותר של מדינות אלקטרוניות כדי לתחבורה מודל מדויק יותר בטמפרטורות תפעוליות.לדוגמה, FLT:0formation של גדול קוטונים גדולים 1 ב perovskites היברידית, מאופיין על ידי רצף אלקטרונים של כמה ננומטרים, מצופה על ידי DFT ואומת על ידי ספקטרום אולטרה-ידי ספקטרום גבוה של צינורות מיקרוסקופים אלה.

תוצאות חיפוש בDFT for Hybrid Perovskites

חומרים Computational מדע התקדמה במהירות, והיישום של DFT ל perovskites היברידית אורגנית-איורגנית הוא עכשיו יותר מתוחכם מאי פעם.התתת הבאה מדגישה פריצות דרך נציג וגבולות מחקר נוכחיים.

צילום: DFT

[] מרחב האינטגרטורי של perovskites היברידית אפשרית הוא עצום: עשרות צלקות אורגניות, כמה מתכות, שלושה חצאי halides, ואת התערובת שלהם להוביל אלפי יצירות פוטנציאליות.התפוקה הגבוהה DFT זרמים - מבנה אוטומטי, הרפיה, חישוב רכוש - יש עדיין מאות מועמדים כדי לזהות תרכובות חדשות מבטיחות.

מודלים של למידת מכונות פונדקאית מאומן על נתונים DFT להאיץ עוד את ההקרנה.FLT:0 (המודלים האלה FIRLT:1) יכולים לחזות אנרגיות היווצרות ופערים של להקות עם דיוק DFT בשבריר של העלות, המאפשר את החיפוש של חללים כימיים גדולים עוד יותר.שילוב של DFT עם נתונים גדולים ואינטליגנציה מלאכותית הוא נוטה לחולל מהפכה בגילוי של חומרים יציבים, יעילות גבוהה perovskite.

מודלים של הפרעות דינמיות ואפקטי טמפרטורה

perovskites היברידית הם חומרים רכים עם הרמוניות גדולה ותנועה איטונית משמעותית בטמפרטורת החדר.המיקום האורגני מסתובב, הכלוב halide מעוות, ואת האג"ח מתכת-halide למתוח ודחוס על משטחים זמן pico השני. Standard DFT ב 0 K לא מצליח ללכוד את ההשפעות הדינמיות האלה, אשר משפיעות הן יציבות והן תכונות אלקטרוניות.

לדוגמה, סימולציות AIMD הוכיחו כי הסיבוב של methylammonium cations גורם שדות זנים מקומיים שיכולים למקם נושאת מטען או ליצור מצבי מלכודות זמניים.המבנה האלקטרוני של הזמן מ- AIMDshots, בשילוב עם שיטות משוערות כמו One-shotFLT:0GWFLT:1 גישה, מניב פערים תלות טמפרטורה מסכים עם מדידה ניסיונית אלה הוא להסביר את הדיכאון קריטי עבור דיכוי בלתי רגיל של דינמית של קרינת דם כגון דינמית של נוגדנים.

Defect Passivation and Surface Engineering

(DFT) הוא חיוני בעיצוב מולקולות מעבר כי לרפא פגמים בגבולות דגנים או ממשקים. על ידי חישוב האנרגיה המחייבת של ligands המועמד כדי לעקוף אטומים מובילים על פני השטח perovskite, החוקרים יכולים לזהות עוברים יעילים.לדוגמה, לואיס בסיס מולקולות עם אלקטרון-doning קבוצות (למשל, פחמן, soxide, או קבוצות פונקציונליות amine) לתאם באופן חזק Pbreas ניסיונית של מצבי סימולציה ו-freperid של סימולציה לפני LT2pivin סימולציה.

יתר על כן, DFT מסייע לייעל את הממשק בין שכבת ההסקבטי לבין שכבות תחבורה מטען מטען מטען מטען אווירי (התיישרות הלהקה ב heterojunctions קובע את המתח הפתוח והיעילות של החילוץ בתשלום.על ידי מודל המבנה האטומי של ממשקים (למשל, perovskite / TiOFLT:02FLT:1LT או perovskite / STA-Opole) זיהוי אסטרטגיות אלקטרוליטיות שונות של 2D2FLT (החומר) ו-FLT) יכולות לנטרטומטיות בין-D2FLT2FLT2FLT: 2D2FLT2FLT: 2D) יכול למניעהחומרהחומרים בין-D2FLT: 02FLT2FLT: 02FLT: 02FLT: 2D2FLT: 2D2FLT: 2D2FLT: 2D2FLT: 2D) לזהות את הפחתת הפחתת הפחתת חומרים אלקטרו-FLT2FLT2FLT2FLT2FLT2FLT2FLT: 26%) ו-FLT2FLT2FLT2FLT 1 נית נית נית נית

אתגרים ומגבלות של DFT עבור היברידית Perovskites

למרות כוחו, DFT אינו panacea. כמה אתגרים בסיסיים ומעשיים נותרו כאשר החלת DFT ל perovskites היברידית אורגנית.

המונחים: Exchange-Correlation Functionals

שום פונקציונליות יחידה אינה מדויקת באופן כללי. GGA פונקציונליות (PBE, PBE, PBEsol) לספק גיאומטריה סבירה ואנרגיות היווצרות אבל באופן חמור את פערי הלהקה. פונקציונליות היברידית (HSE06, PBE0) משפרות תכונות אלקטרוניות אך יקרות חישוביות, במיוחד עבור תאים גדולים הדרושים לפגמים או ממשקים ניידים (Doxy) כולל מורכבות של SOC עוד יותר.

טיפול בהפרעת דינמי

חישובים סטנדרטיים DFT הם סטטיים, המייצגים את תצורה מינימלית של אנרגיה ב 0 K. ההתנהגות הדינמית של צגיות אורגניות ורטטים לקטייה בטמפרטורת החדר דורש סימולציות AIMD יקרות פי מאות יותר מאשר חישוב סטטי יחיד, גם עם טמפרטורה, את ההיקף הזמן של אוריינטציה צבע (שניות למיקרו-II) עשוי להיות ארוך מדי עבור AIMD קלאסי, זניחה מתקדמת סימולציה או מודלים חד-אטומיים.

תאים גדולים ו-Incommensurate Ordering

תופעות מעניינות רבות ב perovskites היברידית, כגון היווצרות של תחומים פררואלקטריים או סדר של cations מעורבב, דורש תאי סופר גדולים המכילים מאות או אפילו אלפי אטומים.DFT חישובים עבור מערכות כאלה להפוך יקר באופן בלתי חוקי, במיוחד עם פונקציונליות היברידית או SOC. חוקרים לעתים קרובות להסתמך על מערכות מודל קטנות יותר או תחזיות כמו ⁇ וירטואלי, אשר עשוי להחמיץ מפתח מן הפיזיקה האטומית.

כיוונים עתידיים: DFT בעידן של Machine Learning ו-High- Throughput Experimentation

העתיד של DFT עבור perovskites היברידי אורגני אורגני הוא שילוב עם גישות מונע נתונים וניסויים אוטומטיים. אקטיבית לולאות למידה Active למידה, שבו DFT מחשב תכונות עבור מועמדים נבחרים מודל למידה מכונה מציע יצירות חדשות עבור אימות, יכול להאיץ באופן דרמטי את התגלית של perovskites יציב ויעיל.לאות אלה יכול לשלב משוב ניסיוני מ גבוה באמצעות סינזה ומודוליזציה, בין הפערים לפרקטיקה.

יתר על כן, פיתוח של פונקציונליות חדשה המותאמים במיוחד למערכת אורגנית אורגנית היברידית – אולי באמצעות תיקונים ממוחשבת-למידה – יכול להתגבר על דיוק-תועלת המסחר-off. בדומה, הטמעת DFT למסגרות מודלים בקנה מידה רב-ממדי (בשילוב עם שדות כוח קלאסי או מודלים מתקדמים) יאפשר תחזיות של ביצועי מאקרוסקופיים מ קלטות ברמת אטומית.

לבסוף, המחקר של ממשקים וגבולות דגנים באמצעות שיטות מתקדמות של DFT, כגון פונקציונליות היברידית עם פיזור בלתי פתיר ואפקטים זמניים סופיים, יהיה להפוך לשגרה יותר ככל שהכוח החישובי גדל.הבנה ובסופו של דבר לשלוט בממשקים אלה הוא המפתח להבטיח יציבות ארוכת טווח וכדאיות מסחרית של מכשירים perovskite.

מסקנה

תורת תפקוד הכחשה הוכיחה ככלי חיוני בעיצוב ואופטימיזציה של perovskites היברידי אורגני-inorganic. מחיזוי יציבות מבנה גבישי פערים של הלהקה האלקטרונית כדי לפענח את הפיזיקה הפגומה ומנגנוני תחבורה המטען, DFT מספק את התובנה בקנה מידה אטומי הדרוש כדי להנחות את מאמצי הניסויים.התפתחויות האחרונות בבדיקה גבוהה באמצעות בדיקות, סימולציות דינמיות, ומודלים הרחיבו את היקף DFT, בעוד שילוב יעיל יותר כדי לפתח את הפיתוח של שיטות קריטי של שיטות פעולה מתקדמות יותר של שיטות פעולה מתקדמות של פעילות גופנית, כמו גם עבור פיתוח ביצועים מתקדמים של פעילות גופנית, כמו גם עבור ביצועים מתקדמים של שיטות קריטיות משחק קריטיים מתקדמים, כמו גם עבור פיתוח יעיל יותר, כמו גם עבור ביצועים מתקדמים יותר, יעיל יותר, כמו גם עבור ביצועים מתקדמים של ביצועים מתקדמים של ביצועים מתקדמים, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, יעיל יותר, כמו בדיקות דינמיטטיבית ביצועים מתקדמים לפיתוח יעיל יותר, כמו בדיקות