Bazı Ruddlesden-Popper hibrit halojen perovskitlerin elektronik bant aralıklarının gerinim altında değişimi

Abstract

Amaç: Kurşun içermeyen van der Waals Ruddlesden-Popper hibrit halojen perovskitlerin enerjitik kararlılıklarını ve uygulanan tek yönlü gerinim altında elektronik bant yapısındaki ani değişimleri kuantum mekaniğine dayalı yoğunluk fonksiyoneli teorisini kullanarak açığa çıkartmaktır. Böylece, istenilen elektriksel özelliğe sahip yapılar yeni bir malzeme sentezlenmesine ihtiyaç kalmadan elde edilecektir. Materyal ve Yöntem: Bu çalışmadaki tüm hesaplar yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) içindeki temel prensip düzlem dalga yöntemine dayanmaktadır. Değişim-korelasyon potansiyeli olarak, Perdew Burke-Ernzerhof (PBE) parametrizasyonu kullanılarak genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (GGY) kullanılmıştır. Atomların potansiyelleri (çekirdek ve elektron arasındaki etkileşimi tanımlamak için) için PAW sanki potansiyelleri kullanılmıştır. Yoğunluk fonksiyoneli teorisi hesaplamalarında yapıların optimizasyonu için ardışık iterasyonlarda enerji yakınsama parametresi için Ediff=10-5 eV ve her bir atom üzerinde maksimum 0.0001 eV/Å kuvvet olacak şekilde parametreler seçilmiştir. Tabakalar arasındaki van der Waals etkileşimi DFT-D2 Grimme yöntemi ile hesaplamalara dahil edilmiştir. Perovskit yapıların Brillouin bölgesi, Monkhorst-Pack yöntemi kullanılarak 3x3x1 k dalga sayısı seti ile tanımlanmış ve kesme kinetik enerjisi 450,0 eV olarak belirlenmiştir. Her bir perovskit yapısına uzun eksen örgü parametresinin %-16'sına kadar %-1'lik adımlar ile gerinim uygulanmış ve elektriksel özellikleri incelenmiştir. Bu tez çalışmasında tüm hesaplamalarda Vienna ab initio Simulation Package (VASP) paket programı kullanılmıştır. Bulgular: Genel olarak, (BA)2MAMg2I7 dışında Ca ve Mg bazlı perovskitlerin geniş bant aralığına sahip oldukları, Ge ve Sn bazlı perovskitlerin ise 1-2 eV mertebesinde değişen bant aralığına sahip oldukları hesaplanmıştır. Sıkıştırma ile her bir yapının farklı gerinimde oktahedral/ ligandların dönmesinden kaynaklı bant renormalizasyonu ve buna bağlı olarak bant aralığında değişim gözlenmiştir. Sonuç: Gerinim altında elektriksel özellikleri değiştirilebilir olduğunun gösterilmesi yeni malzeme sentezlemeye gerek kalmadan aynı malzemenin farklı alanlarda ihtiyaç duyulan uygulamalar için kullanılabileceği teorik olarak gösterilmiştir.

Objective: To reveal the energetic stability of lead-free van der Waals Ruddlesden-Popper hybrid halogen perovskites and the sudden changes in the electronic band structure under applied unidirectional strain using density functional theory based on quantum mechanics. Thus, structures with the desired electrical properties will be obtained without the need to synthesize a new material. Material and Methods: All calculations in this study are based on the basic principle of the plane wave method in density functional theory (DFT). As the change-correlation potential, the generalized gradient approach (GGY) was used using the Perdew Burke-Ernzerhof (PBE) parameterization. For the potentials of atoms (to describe the interaction between the nucleus and the electron), the PAW pseudo potentials are used. For the optimization of the structures in density functional theory calculations, the parameters were chosen such that Ediff=10-5 eV for the energy convergence parameter and a maximum force of 0.0001 eV/Å on each atom in successive iterations. The van der Waals interaction between the layers was included in the calculations with the DFT-D2 Grimme method. The Brillouin region of perovskite structures was defined with a 3x3x1 k wave number set using the Monkhorst-Pack method and the kinetic energy was determined as 450.0 eV. Strain was applied to each perovskite structure in -1% steps up to -16% of the long axis lattice parameter and its electrical properties were investigated. In this thesis, Vienna ab initio Simulation Package (VASP) was used for all calculations. Results: In general, except for (BA)2MAMg2I7, Ca and Mg-based perovskites have wide band gaps, while Ge and Sn-based perovskites have band gaps varying in the order of 1-2 eV. With compression, band renormalization due to rotation of octahedran/ligands at different strains of each structure and accordingly a change in band gap were observed. Conclusion: This study theoretically showed that band renormalization can be occured by strain due to rotation of octehedral/ligands.Same material exhibits different electrical properties under strain, so it can be used for applications that different electrical properties are required.