一氧化锡（α-SnO）是具有间接带隙（~0.7 eV）的p型半导体，在锂离子电池和薄膜晶体管等诸多领域具有应用前景。然而作为半导体材料，其较窄的带隙（~0.7 eV）严重限制SnO在光伏等领域的应用。针对这一问题，一方面，可以通过元素掺杂，调整SnO的能带结构；另一方面，则寄希望于发现具有宽带隙的新型SnO材料。西北工业大学王俊杰教授团队在之前的研究中结合密度泛函理论（density functional theory）与晶体结构预测软件USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography)，报道了一种新型层状β-SnO材料，具较宽的带隙（~1.7 eV），且该结构在能量上与（α-SnO）非常接近，具有合成的潜力。近年来，高压合成因其可以合成常压下难以出现的结构而受到广泛关注。王俊杰教授团队借助密度泛函理论和拓扑结构分析，对高压下β-SnO的合成可能性进行了深入探究，并对压力下β-SnO电子性质变化进行讨论，为实验上制备具有有优异性能的新型SnO材料提供理论指导。

 王俊杰教授团队使用不同的范德华泛函，从理论上研究了几种SnO相在高压下的结构稳定性和电子性质。计算表明，亚稳态的β-SnO具有P2₁/c的空间群和1.9 eV的宽带隙，可以在高于80 GPa的压力下与β-SnO竞争。同时使用拓扑分析方法进行了可能的相变研究，在高于150 GPa的压力下，正交相Pnma-SnO最稳定，而β-SnO可被看作α-SnO和Pnma-SnO之间的过渡状态。上述结果表明β-SnO可通过高压合成获得。此外，研究还表明，可以在非常低的压力范围（0-9 GPa）中通过半导体到金属的转变来改变β-SnO的导电性。研究者通过对β-SnO电子结构随压力变化的趋势进行研究，并结合晶体轨道布居与前线轨道理论来分析成键-反键相互作用在压力下的演变及对电子结构的影响，发现层间Sn-Sn相互作用的加强趋向于关闭带隙，而层内Sn-O相互作用则有利于打开带隙。进而，研究者提出β-SnO的带隙随外部压力增加而表现出的震荡来源于上述两种机制的竞争。

该研究以“Crystal and electronic structure engineering of tin monoxide by external pressure”为题发表于知名期刊Journal of Advanced Ceramics。论文的第一作者是实验室博士生李琨，通信作者是王俊杰教授，西北工业大学凝固技术国家重点实验室是论文第一完成单位。

v  图文导读

图1 不同范德华泛函修正下晶格常数计算值与是实验值的误差百分比

图2 α-SnO、β-SnO、Pnma-SnO和P2/c-SnO的晶体结构演示图

图3（a） 不同SnO结构相对于α-SnO的焓值随压力的变化曲线。（b）P2/c-SnO和β-SnO 两相相似性示意图。（c）实现β-SnO 到 P2/c-SnO 相转变的拓扑示意图。（d）不同相之间的拓扑结构分析。

图 4  （a）β-SnO 带隙随压力的变化曲线。（b） β-SnO的布里渊区路径示意图。 β-SnO在（c）9和（d）13 GPa下的能带结构。（e）沿 β-SnO 不同高对称路径的电子和空穴有效质量。（f）β-SnO不同压力下的吸收光谱。

图 5 （a）晶格常数和（b）层间距距随压力的变化曲线。不同Sn-Sn对（c）示意图和（d）Sn-Sn间距随压力变化曲线

图6  β-SnO的轨道间相互作用示意图

原文信息

Kun Li, Junjie WANG, Vladislav A. BLATOV, YuTong GONG. Naoto UMEZAWA, Tomofumi TADA, Hideo HOSONO, Artem R. OGANOV. Crystal and electronic structure engineering of tin monoxide by external pressure. Journal of Advanced Ceramics, DOI: 10.21203/rs.3.rs-128647/v1

论文链接：https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s40145-021-0458-1.pdf