n = 2 Ruddlesden-Popper Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)非常规铁电性的第一性原理研究*

王朝 张铭 张持 王如志 严辉

(北京工业大学材料与制造学部， 新能源材料与技术研究所， 北京 100124)

近年来， 层状钙钛矿材料中存在的非常规铁电性为新型铁电体设计提供了新的途径.基于第一性原理，本文系统研究了具有Ruddlesden-Popper (RP) (n = 2) 结构的Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)化合物的基态结构、电子结构和非常规铁电性.研究表明， Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf) 基态均为具有A21am极性相的直接带隙半导体; 其非常规铁电性来源于BSe6八面体的两种旋转模式的耦合.而且， 因具有较强的铁电极化值与可见光吸收带隙， Sr3B2Se7 (B = Zr， Hf)有望成为新一代铁电光伏材料.

1 引 言

由于具有独特的铁电光伏性能， 铁电体在应用方面受到广泛关注[1，2].传统光伏器件往往利用PN结所形成的内建电场实现光生载流子分离以形成光伏效应[3]， 而铁电材料由于存在自发极化， 无需形成PN结即可自发实现光生电子与空穴的分离， 呈现铁电光伏效应[4]， 理论上可突破Shockley—Queisser极限而具有广阔的应用前景[5].但是， 目前已知的大部分具有钙钛矿结构的铁电材料的带隙宽度(Eg)多大于3.0 eV， 可见光区的光电转换效率较差[6-8].研究发现， 通过B位阳离子掺杂可有效减小钙钛矿氧化物禁带宽度， 例如， 具有双钙钛矿结构的Bi2FeCrO6和[KNbO3]1—x[BaNi1/2Nb1/2O3—δ]x固溶体， 随掺杂量的变化， 其禁带宽度在1.4 —2.7 eV可调[9，10].但B位阳离子掺杂也会增加结构畸变和氧空位， 降低载流子迁移率[7]， 这对提高光电转换效率是不利的.据报道， 大部分B位阳离子掺杂铁电氧化物的光生电流密度仅为μA/cm2量级， 其能量转换效率也低于1%， 距离实际应用仍存在……