压力调控ASnF3（A = K, Rb）钙钛矿光电性能的第一性原理研究及其应用前景

为解决铅基钙钛矿的环境毒性问题并优化光电性能，研究人员通过密度泛函理论（DFT）系统研究了压力对非毒性氟钙钛矿ASnF3（A = K, Rb）的结构、电子及光学特性的影响。研究发现，0-9 GPa压力下，KSnF3和RbSnF3的带隙分别从1.838 eV和1.835 eV降至1.100 eV和1.010 eV，同时光学吸收和机械性能显著增强。该研究为设计高效环保的光电器件提供了理论依据，并拓展了钙钛矿材料在太阳能电池等领域的应用潜力。

　　

随着全球能源需求增长和环境问题加剧，开发高效、环保的可再生能源材料成为研究热点。太阳能作为最丰富的可再生能源之一，其转换效率的提升依赖于新型光电材料的突破。传统铅基钙钛矿（如MAPbI₃）虽具有优异的光电性能，但铅的毒性限制了其大规模应用。为此，寻找无毒替代材料并优化其性能成为关键科学问题。氟钙钛矿因其宽禁带、高热稳定性等特点备受关注，但如何通过可控手段（如压力调控）进一步提升其性能尚不明确。

针对这一挑战，来自库尔纳工程技术大学（Khulna University of Engineering & Technology, KUET）材料科学与工程系的研究团队采用第一性原理计算，系统研究了压力对立方相ASnF₃（A = K, Rb）钙钛矿物理性质的调控机制。研究通过Goldschmidt容忍因子、形成能和Born稳定性判据验证了材料的结构与热力学稳定性，并结合电子能带、光学响应和力学性能分析，揭示了压力诱导的带隙窄化和性能增强规律。相关成果发表在《Results in Materials》期刊，为无毒钙钛矿的设计与应用提供了重要理论指导。

研究团队主要采用剑桥串行总能量包（CASTEP）软件，基于广义梯度近似（GGA）的PBE和RPBE泛函进行电子结构计算，通过超软赝势模拟电子-离子相互作用，并利用10×10×10 k点网格采样布里渊区。弹性常数通过有限应变法确定，光学性质由Kramers-Kronig关系导出，同时结合VESTA和ELATE工具进行晶体结构可视化和力学各向异性分析。

3.1 结构特性
压力显著影响晶格参数：0-9 GPa下，KSnF₃晶格常数从4.74 ?降至4.51 ?，体积收缩13.5%。负的形成能（E_f < -4.29 eV/atom）和接近1的容忍因子（t ≈ 0.998-1.001）证实了立方结构的稳定性。

3.2 电子特性
带隙随压力减小：GGA-RPBE计算显示，KSnF₃带隙从2.080 eV（0 GPa）降至1.300 eV（9 GPa）。态密度分析表明，导带下移主要由Sn-5s/p轨道贡献，而价带由Sn-5s与F-2p轨道共同主导。

3.3 光学性能
压力增强紫外-可见光吸收：9 GPa时，KSnF₃在可见光区出现双峰，吸收系数达35×10⁴ cm^-1。RbSnF₃在深紫外区（15-25 eV）反射率超40%，适合UV防护涂层应用。

3.4 力学性能
RbSnF₃展现更高硬度（H_V = 1.65 vs. 1.49），但KSnF₃的加工性更优（B/C₄₄ = 26.27 vs. 12.01）。各向异性分析显示，压力使通用各向异性指数（A^U）从2.871（KSnF₃, 0 GPa）升至22.112（9 GPa）。

3.6 晶格动力学
声子谱无虚频证实动力学稳定性，KSnF₃因K较轻而声子频率略高于RbSnF₃。

该研究首次阐明压力对ASnF₃钙钛矿的多维调控机制：通过压缩晶格缩短键长（如Sn-F键从2.37 ?减至2.26 ?），增强共价性并降低带隙，从而优化光吸收与载流子迁移。RbSnF₃在高压下的高硬度和紫外响应特性，使其适用于极端环境光电设备；而KSnF₃的优异延展性（泊松比ν达0.41）利于柔性器件开发。研究为无毒钙钛矿的定向设计提供了关键参数，推动其在太阳能转换、UV探测等领域的实用化进程。