光学透明的金属导体代表了一种罕见的通常禁忌的物理性质,然而对于两种功能都至关重要的应用来说,它们是非常需要的。传统上,这种稀有材料是在含有金属氧化物的化合物的一般化学邻域中寻找的,这些金属氧化物被认为是宽禁带绝缘体,可能被掺杂以诱导导电性。聚焦于18价电子ABX化合物家族,我们从理论上寻找了化合物的电子结构同时导致光学透明的能力,这导致了一种稳定的、以前从未合成过的、由全金属重原子化合物制成的TaIrGe化合物的预测,该化合物是V-IX-IV组中的“最佳类别”。然后实验室合成发现它在预测的晶体结构和p型透明导体中是稳定的,在室温下测量到3.36 eV的强直接吸收和2730 cm 2/Vs的显著高(尽管不是预测的)空穴迁移率。这种方法为未来在意想不到的化学基团中搜索透明导体开辟了道路。
英文摘要:
Metallic conductors that are optically transparent represent a rare breed of generally contraindicated physical properties that are nevertheless critically needed for application where both functionalities are crucial. Such rare materials have traditionally been searched in the general chemical neighborhood of compounds containing metal oxides, expected to be wide gap insulators that might be doped to induce conductivity.Focusing on the family of 18 valence electron ABX compounds we have searched theoretically for the ability of the compound's electronic structure to simultaneously lead to optical transparency, in parallel with the ability of its intrinsic defect structures to produce uncompensated free holes.This led to the prediction of a stable, never before synthesized TaIrGe compound made of all-metal heavy atom compound as the "best of class" from the V-IX-IV group. Laboratory synthesis then found it to be stable in the predicted crystal structure and p-type transparent conductor with measured strong direct absorption of 3.36 eV and remarkably high (albeit not predicted) hole mobility of 2730 cm2/Vs at room temperature. This methodology opens the way to future searches of transparent conductors in unexpected chemical groups.
Magnetically Mediated Transparent Conductors: In$_2$O$_3$ doped with Mo
第一性原理能带结构研究的电子,光学和磁性的Mo掺杂的In $_2$ O $_3$揭示了至关重要的作用,磁相互作用,在确定的电导率和Burstein-Moss位移,支配光吸收。我们证明了过渡金属掺杂的优点,这导致在更小的有效质量,更大的基本带隙和更好的整体光学传输在可见光-相比,商业Sn掺杂的In $_2$ O $_3$。在掺杂其他过渡金属时,预期类似的行为为通过磁相互作用介导的高效透明导体家族开辟了途径。
Boron phosphide as a \emph{p}-type transparent conductor: optical absorption and transport through electron-phonon coupling
磷化硼是一种具有高空穴迁移率的透明导电材料。这一承诺源于其低空穴有效质量。然而,BP具有相对小的2 eV间接带隙,这将影响其透明度。在这项工作中,我们计算研究了间接间隙的光吸收和声子限制的电子输运,以量化磷化硼作为\emph{p}型透明导体的潜力。我们发现,在可见光谱中,声子介导的间接光吸收很弱,并且在室温下,声子限制的空穴迁移率非常高(约900 cm $^2$ /Vs)。这种特殊的流动性来自低空穴有效质量和极声子模式的非常弱的散射的组合。我们合理化的弱散射的磷化硼相比,氧化物的离子键。我们认为这可能是\emph{p}型透明导电应用的非氧化物的一般优点。使用我们计算的属性,我们评估的透明导体的品质因数磷化硼,并表明,它超过了一个数量级,建立\emph{p}型透明导体,确认这种材料的潜力。
Crystal structure, stability and optoelectronic properties of the organic-inorganic wide bandgap perovskite CH3NH3BaI3: Candidate for transparent conductor applications
从理论和实验两方面研究了CH_3NH_3BaI_3杂化钙钛矿的结构稳定性、电子结构和光学性质。溶液处理的薄膜的CH 3 NH3 BaI 3表现出约3.87 eV的高带隙,这是非常符合4 eV的理论估计。此外,该薄膜的XRD图案与从CH_3 NH_3Ba_I_3的弛豫晶胞获得的模拟图案的L-峰匹配良好,其在I_4/mcm空间群中结晶,具有晶格参数a = 9.30 A,c = 13.94 A。原子投影态密度和能带结构计算揭示了导带和价带边缘分别主要由钡d轨道和碘p轨道组成。CH_3 NH_3BaI_3的带隙比CH_3 NH_3 PbI_3的带隙大,这是由于Ba{2+}的价带中d轨道的缺乏和较低的电负性。更详细的分析揭示了CH 3 NH3 BaI 3对湿度的优异化学和机械稳定性,不像其卤化铅对应物,在这种条件下会降解。CH 3 NH3 BaI 3化合物的可掺杂性(例如通过在Ba位点上掺杂La)与其在环境条件下的结构和机械稳定性相结合,表明该化合物是透明导体应用的有希望的候选者,特别是对于所有钙钛矿太阳能电池。
Engineering Correlated Transparent Conductors via Metal-Insulator Transition Proximity
Technion—Israel Institute of Technology(以色列理工学院);Diamond Light Source Ltd(钻石光源有限公司);J. A. Woollam Co., Inc.(J.A.伍尔曼公司);Pacific Northwest National Laboratory(太平洋西北国家实验室);Flatiron Institute(平顿研究所)
Sn(II)-containing phosphates as optoelectronic materials
我们利用第一性原理计算对磷酸锡作为光电材料进行了理论研究。我们专注于已知的原型材料Sn $_n$ P $_2$ O $_{5+n}$(n=2,3,4,5)和以前未报道的化合物,SnP $_2$ O $_6$(n=1),我们发现使用全局优化结构预测。电子结构计算表明,这些化合物都具有大于3.2 eV的大带隙,这意味着它们对可见光是透明的。这些化合物中的几种显示出相对低的空穴有效质量($\sim$ 2-3 m $_0$),与电子质量相当。这表明潜在的双极导电性取决于掺杂。分散的价带边缘的低空穴质量,源于Sn 5s轨道和磷酸基团之间的反键杂化。结构搜索过程中产生的亚稳结构的结构-性能关系的分析显示,在带隙和载流子有效质量的组合相当大的变化,这意味着这些属性的化学可调谐性。相对高的带隙,低载流子质量和高化学稳定性的不寻常的组合表明这些锡(II)磷酸盐,包括p型透明导体可能的光电应用。与此相关,掺杂材料的计算表明低可见光吸收,结合高等离子体频率。