Ideal Bandgap in a 2D Ruddlesden-Popper Perovskite Chalcogenide for Single-junction Solar Cells
Shanyuan Niu, Debarghya Sarkar, Kristopher Williams, Yucheng Zhou, Yuwei Li, Elisabeth Bianco, Huaixun Huyan, Stephen B. Cronin, Michael E. McConney, Ralf Haige… 展开作者
Shanyuan Niu, Debarghya Sarkar, Kristopher Williams, Yucheng Zhou, Yuwei Li, Elisabeth Bianco, Huaixun Huyan, Stephen B. Cronin, Michael E. McConney, Ralf Haiges, R. Jaramillo, David J. Singh, William A. Tisdale, Rehan Kapadia, Jayakanth Ravichandran
Transition metal perovskite chalcogenides (TMPCs) are explored as stable, environmentally friendly semiconductors for solar energy conversion. They can be viewed as the inorganic alternatives to hybrid halide perovskites, and chalcogenide counterparts of perovskite oxides with desirable optoelectronic properties in the visible and infrared part of the electromagnetic spectrum. Past theoretical studies have predicted large absorption coefficient, desirable defect characteristics, and bulk photovoltaic effect in TMPCs. Despite recent progresses in polycrystalline synthesis and measurements of their optical properties, it is necessary to grow these materials in high crystalline quality to develop a fundamental understanding of their optical properties and evaluate their suitability for photovoltaic application. Here, we report the growth of single crystals of a two-dimensional (2D) perovskite chalcogenide, Ba3Zr2S7, with a natural superlattice-like structure of alternating double-layer perovskite blocks and single-layer rock salt structure. The material demonstrated a bright photoluminescence peak at 1.28 eV with a large external luminescence efficiency of up to 0.15%. We performed time-resolved photoluminescence spectroscopy on these crystals and obtained an effective recombination time of ~65 ns. These results clearly show that 2D Ruddlesden-Popper phases of perovskite chalcogenides are promising materials to achieve single-junction solar cells.
A Corkscrew Model for Highly Coupled Anisotropic Compliance in Ruddlesden-Popper Oxides with Frozen Octahedral Rotations
一个“螺旋”的机制，耦合的变化，在平面内的旋转角度的应变沿分层轴，已被提出来解释增加的顺应性在某些Ruddlesden-Popper阶段，促进单轴负热膨胀在一个很宽的温度范围内。开发的程序来研究许多简单的，拉胀几何形状，在本研究中，我们推导出的弹性顺应性预测的螺旋机制假设四个最短的金属-阴离子键保持刚性和键角的变化建模的谐波角电位。随后，我们分析了这个模型的局限性，并表明，它可以扩展到An+1BnO 3 n +1 Ruddlesden-Popper氧化物相的一般层厚度n。
我们研究了模型硫属化物、氧化物和卤化物材料中Ruddlesden-Popper（RP）系列（An+1BnX 3 n +1）的带隙变化，以了解影响带隙演变的因素。与氧化物和卤化物相比，我们发现硫属化物的带隙随这些天然超晶格中钙钛矿块的厚度而不同地演变。我们发现，八面体旋转（即偏离B-X-B键角从180）和量子限制效应竞争决定RP相的带隙演化。这里获得的见解将使我们能够合理地设计用于电子和光电子的层状钙钛矿相。
Interface control of emergent ferroic order in Ruddlesden-Popper Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$
从第一性原理出发，我们在低n Sr $_{n+1}$ Ti $_n$ O $_{3n+1}$ Ruddlesden-Popper（RP）层状钙钛矿中发现了一种不寻常的极性态，其中铁电性几乎退化为反铁电性，这是一种相对罕见的铁电有序形式。我们发现，外延应变在调谐的“垂直相干长度”的铁电模式中起着关键作用，并不诱导铁电性在这些低维RP材料是众所周知的发生在SrTiO $_3$。这些系统提供了一个机会，操纵铁性失真的相干长度在一个可控的方式，没有混乱或自由表面。
Pressure-Dependent Phase Transitions in Hybrid Improper Ferroelectric Ruddlesden-Popper Oxides
近年来，由于某些化学成分表现出所谓的混合不适当铁电性，具有钙钛矿双层的Ruddlesden-Popper氧化物中的温度依赖性相变受到越来越多的关注。然而，目前很少了解这些相变的流体静压力的依赖性。本文介绍了高压粉末同步辐射X射线衍射实验和$ab~initio$计算的结果，双层Ruddlesden-Popper相Ca $_{3}$ Mn $_{2}$ O $_{7}$和Ca $_{3}$ Ti $_{2}$ O $_{7}$。在这两种化合物中，我们观察到极性$A2_{1}am$和非极性$Acaa$结构之间的一级相变。有趣的是，我们表明，虽然压力的应用最终有利于非极性相-正如通常观察到的适当的铁电体-区域的响应存在的压力实际上起到增加极性模式振幅。其原因可以通过考虑八面体倾斜和旋转对静水压力的不同响应以及它们与极不稳定性的三线性耦合来解开。
Strain effect on the ground-state structure of Sr2SnO4 Ruddlesden-Popper oxides
由钙钛矿（ABO $_3$）$_n$板组成的Ruddlesden-Popper（RP）氧化物（A $_{n+1}$ B $_n$ O $_{3n+1}$）可以比它们的钙钛矿对应物具有更广泛的结构畸变。这使得RP氧化物的准确结构测定更具挑战性。在本研究中，我们利用基于群论的对称性分析和第一性原理计算研究了具有光电子应用前景的碱土锡酸盐之一$n=1$ RP Sr $_2$ SnO $_4$的结构相图。我们探讨不同的动力学不稳定性的对称性破缺效应，预测他们导致的阶段的能量，并考虑到不同的（双轴应变和静水压力）边界条件。我们还解决了电子结构上的结构变化的影响，并发现压缩双轴应变驱动Sr $_2$ SnO $_4$到一个政权具有较宽的带隙和较低的电子有效质量。
Electronic structure of higher-order Ruddlesden-Popper nickelates
我们用第一性原理计算分析了最近合成的高阶镍酸盐Ruddlesden-Popper相La $_{n+1}$ Ni $_n$ O $_{3n+1}$（$n=4-6$）的电子结构.对于所有的材料，我们的研究结果表明，大的孔状费米表面与$d_{x^2-y^2}$字符，非常类似的最佳空穴掺杂的铜酸盐。对于较高的$n$值，额外的非铜酸盐样带的$d_{z^2}$轨道特征出现。这些方面突出表明，该Ruddlesden-Popper系列可以提供一种通过调节镍酸盐的维度来修改其电子基态的手段。由于它们与铜酸盐的相似性和差异性，这种新的材料家族可能会揭示铜基氧化物的物理学。
Structural phase transitions in Ruddlesden-Popper phases of strontium titanate: {\em ab initio} and inhomogeneous Ginzburg-Landau approaches
本文首次系统地{ \em ab initio}研究了钛酸锶（Sr $_{1+n}$ Ti $_n$ O $_{3n+1}$）的Ruddlesden-Popper（RP）相的反铁电畸变（AFD）序随压缩外延应变和相数$n$的变化。我们发现所有RP相在一个显着的应变范围内表现出AFD顺序，恢复散装AFD顺序为$\sim 1/n^2$。一个广义的Ginzburg-Landau哈密顿量，包括八面体间的相互作用再现我们的{ \em从头算}结果以及，打开一条途径，了解其他纳米结构的钙钛矿系统。
Orbital-Energy Splitting in Anion Ordered Ruddlesden-Popper Halide Perovskites for Tunable Optoelectronic Applications
能带边缘的电子轨道特性对钙钛矿光伏材料的电学、光学和缺陷性质起着重要的决定作用。建立基础原子轨道和光电性质之间的关系作为最大化光伏性能的指导是非常期望的。在这里，使用第一性原理计算并以阴离子有序Ruddlesden-Popper（RP）相卤化物钙钛矿Cs $_{n+1}$ Ge $_n$ I $_{n+1}$ Cl $_{2n}$为例，我们演示了如何合理地优化光电性能（例如，带隙、跃迁偶极矩阵元、载流子有效质量、带宽）。结果表明，降低B位原子p轨道的分裂能$|Δc|$可以有效地降低带隙和载流子有效质量，同时大大提高可见光区的光吸收。因此，通过双轴压缩应变很好地建立了与$Δc$的轨道-性质关系。最后，它表明，这种方法可以合理地扩展到其他几个非立方卤化物钙钛矿在导带边缘具有类似的p轨道特性。因此，我们相信我们提出的轨道工程方法为理解和优化层状钙钛矿太阳能电池的器件性能提供了原子级指导。
Biexcitons in Ruddlesden-Popper Metal Halides Probed by Nonlinear Coherent Spectroscopy
Department of Physics and Center for Functional Materials, Wake Forest University（维克森林大学物理系与功能材料中心）；Institut Courtois, Université de Montréal（蒙特利尔大学库尔托瓦研究所）
Magnetic properties of Ruddlesden-Popper phases Sr$_{3-x}$Y$_{x}$(Fe$_{1.25}$Ni$_{0.75}$)O$_{7-δ}$: A combined experimental and theoretical investigation
本文研究了Sr $_{3-x}$ Y $_{x}$（Fe $_{1.25}$ Ni $_{0.75}$）O $_{7-δ}$（$0 \leq x \leq 0.75$）的磁性。在实验上，利用超导量子干涉仪（SQUID）磁强计和中子粉末衍射（NPD）研究了磁性。这是补充的理论研究的基础上密度泛函理论以及海森堡交换参数。实验结果表明，随着Y浓度和O占有率的增加，Néel温度（$T_N$）增加。NPD数据显示所有样品在低温下都是反铁磁有序的，这已经被我们对所选样品的理论模拟所证实。我们的第一性原理计算表明，由于有限的层间交换耦合的三维磁秩序是稳定的。后者产生了一个有限的层间自旋相关消失以上的$T_N$。
Epitaxial growth of Ruddlesden-Popper neodymium nickelates Nd$_{n+1}$Ni$_{n}$O$_{3n+1}$ (${n}$ = 1-5)
采用反应分子束外延技术制备了一系列Ruddlesden-Popper镍酸盐（Nd $_{n+1}$ Ni $_{n}$ O $_{3n+1}$（${n}$ = 1-5））的稳定薄膜。X射线衍射和扫描透射电子显微镜证实了高结晶质量。X射线光电子能谱学表明这些化合物中镍的${n}$依赖价态。金属-绝缘体转变显示出明显的${n}$依赖于中间成员（${n}$ = 3-5），其低温电阻率显示对数依赖性，类似于在超导无限层镍酸盐的母体化合物中观察到的Kondo散射。
Exploring Exciton and Polaron Dominated Photo-physical Phenomena in Ruddlesden-Popper Phases of Ban+1ZrnS3n+1 (n=[1-3]) from Many Body Perturbation Theory
$_{\textrm{n+1}}$ S $_{\textrm{n}}$（n=[1-3]）的Ruddlesden-Popper（RP）相在光电子学领域，特别是在太阳能电池中被发展为一类新的有前途的硫属钙钛矿。然而，关于它的光学、激子、极化子和输运性质的详细研究迄今未知。本文在多体微扰理论的框架下，采用第一性原理方法研究了$_{\textrm{n+1}}$ $_{\textrm{n}}$ S $_{\textrm{3n+1}}$（n=[1-3]）RP相中的激子和极化子效应.与体相不同，$_{\textrm{n+1}}$ $_{\textrm{n}}$（n=[1-3]）RP相具有光学和激子各向异性。从Wannier-Mott的方法，我们表明，在RP相的这类硫属钙钛矿，捕获的离子的介电常数的贡献是重要的。我们报告显着的离子贡献和相对较小的电子-声子耦合常数的Ba $_{\textrm{n+1}}$ Zr $_\textrm{n}$ S $_{\textrm{3n+1}}$相比，散装BaZrS $_3$。激子的结合能被发现是依赖于大的电子-声子耦合的存在。电荷载流子迁移率在Ba $_2$ ZrS $_4$中是最大的，采用相同的变形势计算。根据我们的分析，光学声子模式被观察到占主导地位的声学声子模式，导致极化子迁移率的减少增加n在Ba $_{\textrm{n+1}}$ Zr $_{\text…
2D Ferroelectric Ruddlesden-Popper Perovskites: an Emerging Fully Electronically Controllable Shift Current and Persistent Spin Helix
North University of China（中北大学）；Institute of Materials Science, Technology University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学材料科学研究所）；School of Microelectronics, Xidian University（西安电子科技大学微电子学院）
Ferroelasticity in Two-Dimensional Hybrid Ruddlesden$-$Popper Perovskites Mediated by Cross-Plane Intermolecular Coupling and Metastable Funnel-Like Phases
该研究结合第一性原理与元动力学，揭示单层八面体 (BA)$_2$PbI$_4$ 的铁弹性切换由跨平面耦合及亚稳漏斗状 PE 相调控，并阐明温度与 Br 混合对势垒和相浓度的影响。
Turning ABO$_3$ antiferroelectrics into ferroelectrics: Design rules for practical rotation-driven ferroelectricity in double perovskites and A$_3$B$_2$O$_7$ Ruddlesden-Popper compounds
