基于CA-LBM耦合模型的钙钛矿晶体溶液法生长的数值模拟

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金属卤化物钙钛矿光电器件以其优异的光电性能和低廉的制造成本受到广泛关注。高质量的金属卤化物钙钛矿晶体是高性能钙钛矿光电器件的关键。目前通用的制备金属卤化物钙钛矿晶体的有效方法是溶液法,但是通过溶液法制备的晶体的质量仍有很大的提升空间,亟需进一步了解晶体的形核及生长机制。采用数值模拟技术,建立金属卤化物钙钛矿晶体溶液法生长的数值模型,对晶体的生长过程进行模拟,探索其形核及生长机制,研究其微观组织演变过程,可以理解晶体在溶液中的生长行为,控制晶体缺陷,优化晶体生长工艺。本文自行构建了用于溶液法晶体生长的元胞自动机-格子Boltzmann方法(CA-LBM)耦合数值模型,采用元胞自动机模拟晶体的形核生长,采用格子Boltzmann方法计算溶液中的浓度场,以CH3NH3Pb Br3为研究对象,模拟研究了金属卤化物钙钛矿方形单晶、枝晶以及多晶粒形核生长过程。主要的工作和成果如下:(1)建立了准平衡状态下的生长模型,对CH3NH3Pb Br3小平面方形单晶的生长进行模拟研究。讨论了晶粒生长过程中界面能各向异性强度以及过饱和度的作用。结果表明金属卤化物钙钛矿单晶在界面能各向异性强度的控制下,呈现出规则的几何外形,过饱和度增大会使晶粒的生长速率增大甚至改变晶粒的生长形貌。(2)建立了高过饱和度下的生长模型,对CH3NH3Pb Br3小平面枝晶的生长进行模拟研究。讨论了界面能各向异性强度以及初始浓度对枝晶生长的影响。结果表明较高过饱和度时,在各向异性生长的影响下,金属卤化物钙钛矿单晶会出现枝晶特征,枝晶臂表面出现尖锐的小平面界面,并且初始浓度增加会使枝晶的生长变快。(3)建立了多晶粒的形核生长模型,对CH3NH3Pb Br3多晶粒的形核生长进行模拟研究。讨论了初始浓度对多晶粒定点形核生长和随机形核生长的影响。结果表明金属卤化物钙钛矿晶粒的形貌受形核密度的影响,形核密度较大时,在多个晶粒共同生长的影响下,晶粒即使在高过饱和度下仍以方形长大,并且定点形核时晶粒生长的大小和随机形核时晶粒的形核密度均随着初始浓度的增大而增大。
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