多组分石榴石闪烁体的带隙与能带边缘调控：第一性原理研究

RE$_3$Al$_5$O$_{12}$（RE=稀土元素）石榴石化合物中的复杂掺杂方案最近显著改善了闪烁体性能。具体而言，通过将镥和钇铝石榴石与镓和钆混合，带隙以某种方式改变，从而有助于消除与阳离子反位缺陷相关的有害电子俘获。在此，我们在这一初步工作基础上，系统研究替代性混合对能带边缘能级的影响。采用密度泛函理论考察了可能改变导带底（CBM）或价带顶（VBM）的潜在混合候选元素。我们考虑了两组基于 Lu$_3$B$_5$O$_{12}$（其中 B = Al、Ga、In、As 和 Sb）和 RE$_3$Al$_5$O$_{12}$（其中 RE = Lu、Gd、Dy 和 Er）的组成。我们发现，与各种稀土阳离子混合对带隙或能带边缘没有显著影响。相反，用具有不同离子半径的阳离子替代 Al 对能带结构有深远影响。我们进一步表明，某些掺杂剂可用于仅选择性地修饰 CBM 或 VBM。具体而言，Ga 和 In 通过降低 CBM 来减小带隙，而 As 和 Sb 通过升高 VBM 来减小带隙。这些结果展示了一种快速筛选掺杂剂对闪烁体化合物电子结构影响的有力方法，可识别出以非常特定方式改变能带边缘从而消除导致性能限制的电子和空穴俘获的掺杂剂。该方法通过调控 VBM 和 CBM，应广泛适用于优化多种化合物的电子和光学性能。