基于VO2相变环-方开口超材料的可调谐中红外超宽带吸收器件

　　本文系统探讨了过氧化钡（BaO2）三种晶相（正交、四方、单斜）的稳定性、电子结构与光热特性，通过密度泛函理论（DFT）结合GGA/HSE06泛函揭示了其带隙调控机制与紫外光电子应用潜力，为高性能UV光电探测器设计提供了理论依据。

　　

Highlight

本研究首次通过第一性原理计算揭示了过氧化钡（BaO₂）在正交、四方和单斜三种晶相中的物理性质差异。单斜相因强过氧键（O–O）导致高度局域化的轨道和最大带隙，而正交相则因键弱化呈现带隙缩减。热力学模拟表明单斜相具有更高的热容特性，其声子态密度在高低频区间均显著增强。光学分析显示单斜相的间接带隙与光学带隙近乎重合，而其他两相存在明显偏移。所有结构均表现出低静态介电常数，印证其绝缘体特性与弱电子屏蔽效应。这些发现突显了BaO₂在紫外光电子器件（如UV传感器）中的应用价值。

Conclusions

这项综合性DFT研究证明晶体对称性深刻影响BaO₂在正交、四方和单斜晶系中的稳定性、电子结构、热学和光学性质。形成能计算表明四方相（BaO₂-Tetra）因高对称性和均匀原子堆积导致的键畸变减少而最为稳定。HSE06泛函修正了GGA对带隙的低估，揭示所有三种结构均具有宽间接带隙——单斜相（BaO₂-Mono）为4.24 eV，正交相（BaO₂-Ortho）为3.16 eV，四方相为3.56 eV——表明它们适合紫外光电子应用。电子结构分析显示价带顶主要由过氧轨道（O–O）贡献，而导带底由钡（Ba）的d轨道主导。声子谱计算证实所有结构均具有动力学稳定性，且单斜相在低高频区均表现出更高的声子态密度，导致其热容显著高于其他两相。光学性质分析表明所有BaO₂相均具有低静态介电常数（1.0–2.5），与其绝缘特性一致。单斜相的间接电子带隙与光学带隙非常接近，这是由于其平坦的能带结构，而其他两相的光学带隙则大于其间接电子带隙。这些发现表明BaO₂，尤其是单斜相，在高能紫外光电子器件如紫外光电探测器和传感器中具有应用潜力。