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Ferroelectricity in Ruddlesden–Popper Chalcogenide Perovskites for Photovoltaic Application: The Role of Tolerance Factor
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2017-11-16 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02591 Yajun Zhang 1 , Takahiro Shimada 2 , Takayuki Kitamura 2 , Jie Wang 1
The Journal of Physical Chemistry Letters ( IF 4.8 ) Pub Date : 2017-11-16 00:00:00 , DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b02591 Yajun Zhang 1 , Takahiro Shimada 2 , Takayuki Kitamura 2 , Jie Wang 1
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Chalcogenide perovskites with optimal band gap and desirable light absorption are promising for photovoltaic devices, whereas the absence of ferroelectricity limits their potential in applications. On the basis of first-principles calculations, we reveal the underlying mechanism of the paraelectric nature of Ba3Zr2S7 observed in experiments and demonstrate a general rule for the appearance of ferroelectricity in chalcogenide perovskites with Ruddlesden–Popper (RP) A3B2X7 structures. Group theoretical analysis shows that the tolerance factor is the primary factor that dominates the ferroelectricity. Both Ba3Zr2S7 and Ba3Hf2S7 with large tolerance factor are paraelectric because of the suppression of in-phase rotation that is indispensable to hybrid improper ferroelectricity. In contrast, Ca3Zr2S7, Ca3Hf2S7, Ca3Zr2Se7, and Ca3Hf2S7 with small tolerance factor exhibit in-phase rotation and can be stable in the ferroelectric Cmc21 ground state with nontrivial polarization. These findings not only provide useful guidance to engineering ferroelectricity in RP chalcogenide perovskites but also suggest potential ferroelectric semiconductors for photovoltaic applications.
中文翻译：
用于光伏应用的Ruddlesden–Popper硫族化物钙钛矿中的铁电：耐受因子的作用
具有最佳的带隙和理想的光吸收的硫属钙钛矿对于光伏器件是有前途的，而铁电的缺乏限制了它们在应用中的潜力。在第一性原理计算的基础上，我们揭示了实验中观察到的Ba 3 Zr 2 S 7的顺电性质的潜在机理，并证明了Ruddlesden–Popper（RP）A 3硫属钙钛矿中铁电出现的一般规律。B 2 X 7结构。小组理论分析表明，容忍因子是决定铁电性的主要因素。双方Ba 3 Zr 2 S 7与Ba 3 Hf 2 S 7的大公差因数是顺电性的，这是因为抑制了同相旋转，这对于混合不正确的铁电是必不可少的。相反，容差系数小的Ca 3 Zr 2 S 7，Ca 3 Hf 2 S 7，Ca 3 Zr 2 Se 7和Ca 3 Hf 2 S 7表现出同相旋转，并且在铁电体Cmc 2 1中可以稳定。具有非平凡极化的基态。这些发现不仅为RP硫族钙钛矿中的工程铁电提供了有用的指导，而且还提出了用于光伏应用的潜在铁电半导体。
更新日期：2017-11-16
中文翻译：
用于光伏应用的Ruddlesden–Popper硫族化物钙钛矿中的铁电：耐受因子的作用
具有最佳的带隙和理想的光吸收的硫属钙钛矿对于光伏器件是有前途的，而铁电的缺乏限制了它们在应用中的潜力。在第一性原理计算的基础上，我们揭示了实验中观察到的Ba 3 Zr 2 S 7的顺电性质的潜在机理，并证明了Ruddlesden–Popper（RP）A 3硫属钙钛矿中铁电出现的一般规律。B 2 X 7结构。小组理论分析表明，容忍因子是决定铁电性的主要因素。双方Ba 3 Zr 2 S 7与Ba 3 Hf 2 S 7的大公差因数是顺电性的，这是因为抑制了同相旋转，这对于混合不正确的铁电是必不可少的。相反，容差系数小的Ca 3 Zr 2 S 7，Ca 3 Hf 2 S 7，Ca 3 Zr 2 Se 7和Ca 3 Hf 2 S 7表现出同相旋转，并且在铁电体Cmc 2 1中可以稳定。具有非平凡极化的基态。这些发现不仅为RP硫族钙钛矿中的工程铁电提供了有用的指导，而且还提出了用于光伏应用的潜在铁电半导体。
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