ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КРИСТАЛА Ag3AsS3 З ДОМІШКАМИ Ho
DOI:
https://doi.org/10.32782/pet-2025-2-9Ключові слова:
кристал Ag3AsS3, легування Ho, електронна структура, теорія функціоналу густини (DFT), оптичне поглинання, ширина забороненої зони, модель ВаршніАнотація
У роботі представлено комплексне дослідження впливу легування рідкісноземельним елементом гольмієм (Ho) на електронну структуру, кристалічну будову та оптичні властивості напівпровідникового кристала пруститу (Ag3AsS3). Досліджувані зразки з концентраціями домішки 0,3, 0,6 та 0,9 мас.% були синтезовані методом сплавлення вихідних компонентів високої чистоти з подальшим гомогенізуючим відпалом. Рентгенофазовий аналіз підтвердив однофазність отриманих матеріалів та відповідність їхньої структури просторовій групі симетрії R3c. Теоретичні розрахунки електронної енергетичної будови виконано в межах теорії функціоналу густини (DFT) із використанням програмного коду CASTEP. Для опису обмінно-кореляційної взаємодії застосовано узагальнене градієнтне наближення (GGA) у параметризації Пердю-Бурке-Ернзергофа (PBE) та ультрам’який псевдопотенціал Вандербільта. Геометричну оптимізацію кристалічної ґратки здійснено за алгоритмом Бройдена-Флетчера-Голдфарба-Шенно (BFGS). Розрахунки, проведені методом суперкомірки, показали, що введення атомів Ho, які заміщують атоми Ag, призводить до появи вузьких смуг локалізованих f-електронів поблизу вершини валентної зони, сформованої p-станами сірки. Встановлено, що легування не змінює непрямий тип забороненої зони матриці Ag3AsS3. Експериментально досліджено спектральний розподіл коефіцієнта поглинання в температурному діапазоні 100–300 К. Ширину забороненої зони (Eg) визначено методом Таука для непрямих переходів. Виявлено, що збільшення концентрації Ho від 0,3 до 0,9 мас.% призводить до монотонного зменшення Eg за кімнатної температури від 2,09 еВ до 2,06 еВ. Це звуження пояснюється локальними деформаціями кристалічної ґратки внаслідок відмінності іонних радіусів Ag+ та Ho3+. Температурна залежність краю поглинання проаналізована в межах моделі Варшні. Встановлено, що параметр, пов’язаний із температурою Дебая, залишається стабільним для всіх концентрацій (~180 К), що свідчить про збереження коливальних властивостей ґратки матриці. Отримані результати демонструють, що легування гольмієм є ефективним методом керованої модифікації оптичних параметрів кристалів Ag₃AsS₃ для перспективного застосування в оптоелектроніці та нелінійній оптиці.
Посилання
Zalamai V. V., Tiron A. V., Stamov I. G., Beril S. I. Wavelength modulation optical spectra of Ag3AsS3 crystals in the energy gap. Optical Materials. 2022. Vol. 129. Art. 112560. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.112560
Lin H., et al. Rational design of infrared nonlinear optical chalcogenides by chemical substitution. Coordination Chemistry Reviews. 2020. Vol. 406. Art. 213150. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2019.213150
Liang F., et al. Mid-infrared nonlinear optical materials based on metal chalcogenides: Structure–property relationship. Crystal Growth & Design. 2017. Vol. 17. P. 2254–2289. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.cgd.7b00214
Wu K., Pan S. A review on structure-performance relationship toward the optimal design of infrared nonlinear optical materials with balanced performances. Coordination Chemistry Reviews. 2018. Vol. 377. P. 191–208. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ccr.2018.09.002
Gagor A., Pawłowski A., Pietraszko A. Silver transfer in proustite Ag3AsS3 at high temperatures: Conductivity and single-crystal X-ray studies. Journal of Solid State Chemistry. 2009. Vol. 182. P. 451–456. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2008.11.005
Abudurusuli A., Li J., Pan S. A review on the recently developed promising infrared nonlinear optical materials. Dalton Transactions. 2021. Vol. 50. P. 3155–3160. DOI: https://doi.org/10.1039/D1DT00054C
Weber M. J. Handbook of optical materials. Boca Raton: CRC Press, 2003. 536 p.
Nikogosyan D. N. Nonlinear optical crystals: A complete survey. New York : Springer, 2005. 439 p.
Rudysh M. Y., et al. Band structure calculation and optical properties of Ag₃AsS₃ crystals. Physics and Chemistry of Solid State. 2023. Vol. 24, No. 1. P. 17–22. DOI: https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.17-22
Chen J.-A., et al. Synthesis, luminescent properties and ab initio study of yellow-emitting Sr8MgGa(PO4)7:Eu2+phosphors for white light-emitting diodes. Journal of Luminescence. 2021. Vol. 235. Art. 117982. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.117982
Clark S. J., et al. First principles methods using CASTEP. Zeitschrift für Kristallographie – Crystalline Materials. 2005. Vol. 220. P. 567–570. DOI: https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075
Sanchez-Portal D., Artacho E., Soler J. M. Projection of plane-wave calculations into atomic orbitals. Solid State Communications. 1995. Vol. 95. P. 685–690. DOI: https://doi.org/10.1016/0038-1098(95)00341-X
Kohn W., Sham L. J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Physical Review. 1965. Vol. 140. P. A1133–A1138. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism. Physical Review B. 1990. Vol. 41. P. 7892–7895. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892
Rudysh M. Ya. Electronic structure, optical and elastic properties of AgAlS₂ crystal under hydrostatic pressure. Materials Science in Semiconductor Processing. 2022. Vol. 148. Art. 106814. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2022.106814
Rudysh M. Ya., et al. Impact of anionic system modification on the desired properties for CuGa(S1−xSex)2 solid solutions. Computational Materials Science. 2021. Vol. 196. Art. 110553. DOI: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2021.110553
Ilchuk H. A., et al. Elastic properties of CdTe₁−xSex (x = 1/16) solid solution: First principles study. Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 2020. Vol. 23. P. 355–360. DOI: https://doi.org/10.15407/spqeo23.04.355
Perdew J. P., Zunger A. Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems. Physical Review B. 1981. Vol. 23. P. 5048–5079. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048
Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976. Vol. 13. P. 5188–5192. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
Pfrommer B. G., et al. Relaxation of crystals with the quasi-Newton method. Journal of Computational Physics. 1997. Vol. 131. P. 233–240. DOI: https://doi.org/10.1006/jcph.1996.5612
Tauc J. Amorphous and liquid semiconductors. New York : Plenum Press, 1974. 441 p.
Fedorchuk A. O., Parasyuk O. V., Kityk I. V. Second anion coordination for wurtzite and sphalerite chalcogenide derivatives as a tool for the description of anion sub-lattice. Materials Chemistry and Physics. 2013. Vol. 139. P. 92–99. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.12.058
Smitiukh O. V., et al. Effect of rare-earth doping on the structural and optical properties of the Ag₃AsS₃ crystals. Optical and Quantum Electronics. 2022. Vol. 54. Art. 224. DOI: https://doi.org/10.1007/s11082-022-03542-w
Varshni Y. P. Temperature dependence of the energy gap in semiconductors. Physica Status Solidi (b). 1967. Vol. 19, No. 1. P. 459–473. DOI: https://doi.org/10.1016/0031-8914(67)90062-6
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
