Effect of crystal defects on the electronic structure and dielectric functions of In0.5Tl0.5I solid state solutions

Andriyevsky, Bohdan; Kashuba, A.; Ilchuk, H.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Effect of crystal defects on the electronic structure and dielectric functions of In0.5Tl0.5I solid state solutions

Autorzy

Andriyevsky Bohdan , Kashuba A. , Ilchuk H.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Języki publikacji

Abstrakty

We investigate an influence of the various crystal structure imperfections on the electronic properties and dielectric functions for In0.5Tl0.5I semiconductor in the frame of the density functional theory calculations. The tensor of electron effective mass m*_ij of InI, In_0.5Tl_0.5I and TlI crystals has been calculated for the valence and conduction bands and different K-points of Brillouin zone. Dielectric functions ε(hν) of the defective crystals based on In_0.5Tl_0.5I solid state solution with iodine vacancy and thallium interstitial atom were calculated taking into consideration the inter-band and intra-band electron transitions. The studies of the defective crystals reveal increased low-frequency and stationary electron conductivity with anisotropy resulted from the anisotropy of the electron effective mass tensor. Our findings explain the origin of crucial changes in the band structure by formation the donor half-occupied levels close to the unoccupied conduction bands due to the crystal structure defects, i.e. iodine vacancy or thallium interstitial atom. It has been shown that in the case of real crystals, in particular metal-halides, the proper consideration of defects in quantum-chemical calculations results in a better matching of the theoretical and experimental results in comparison to the case when the perfect crystal structure had been used for calculations.

Zbadano wpływ różnych niedoskonałości struktury krystalicznej na właściwości elektronowe i funkcje dielektryczne półprzewodnika In_0.5Tl_0.5I w ramach teorii funkcjonału gęstości. Został obliczony tensor efektywnej masy elektronów m* kryształów InI, In_0.5Tl_0.5I i TlI dla pasm walencyjnych i przewodnictwa oraz różnych K-punktów strefy Brillouina. Funkcje dielektryczne ε(hν) domieszkowanych kryształów roztworów stałych In0.5Tl0.5I z wakansami jodu i atomami międzywęzłowymi talu zostały obliczone z uwzględnieniem międzypasmowych i wewnątrz-pasmowych przejść elektronowych. Badania domieszkowanych kryształów ujawniły zwiększoną przewodność elektronową niskoczęstotliwościową i stacjonarną o anizotropii wynikającej z anizotropii tensora efektywnej masy elektronów. Przeprowadzone badania wyjaśniają obserwowane duże zmiany struktury pasmowej pochodzące z utworzenia pół wypełnionych poziomów donorowych w pobliżu niezajętych pasm przewodnictwa wynikających z defektów struktury krystalicznej, tj. wakansów jodu czy atomów międzywęzłową talu. Wykazano, że w przypadku kryształów rzeczywistych, w szczególności halogenków metali, właściwe uwzględnienie defektów w obliczeniach kwantowo-chemicznych daje możliwość lepszego dopasowania obliczeń teoretycznych do wyników doświadczalnych w porównaniu do obliczeń bazujących na strukturze krystalicznej doskonałej.

Słowa kluczowe

semiconductors point defects electronic band structure electrical transport optical properties computer simulations

półprzewodniki wada punktowa struktura pasmowa transport elektryczny właściwości optyczne symulacje komputerowe

Wydawca

Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Koszalińskiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe Wydziału Elektroniki i Informatyki Politechniki Koszalińskiej

Rocznik

2019

Tom

Nr 15

Strony

35--56

Opis fizyczny

Bibliogr. 33 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Andriyevsky Bohdan

bohdan.andriyevskyy@tu.koszalin.pl

Faculty of Electronics and Computer Sciences Koszalin University of Technology, Śniadeckich str. 2, PL-75-453, Koszalin, Poland

autor

Kashuba A.

Lviv Polytechnic National University, Bandera str. 12, 79646 Lviv, Ukraine

autor

Ilchuk H.

Lviv Polytechnic National University, Bandera str. 12, 79646 Lviv, Ukraine

Bibliografia

1. M.G. Kanatzidis, Discovery-synthesis, design, and prediction of chalcogenide phases. Inorg. Chem. 56 (2017) 3158 - 3173.
2. I. Chung, G. Mercouri, M.G. Kanatzidis, Metal chalcogenides: a rich source of nonlinear optical materials, Chem. Mater. 26 (2014) 849 - 869.
3. M. Piasecki, M.G. Brik, I.E. Barchiy, K. Ozga, I.V. Kityk, A.M. Al-Naggar, A.A. Albassam, T.A. Malakhovskaya, G. Lakshminarayana, Band structure, electronic and optical features of Tl4SnX3 (X=S, Te) ternary compounds for optoelectronic applications, J. Alloy. Compd. 710 (2017 ) 600-607. https://doi:10.1016/j.jallcom.2017.03.280.
4. Piasecki, M., Myronchuk, G.L., Zamurueva, O.V., Khyzhun, O.Y., Parasyuk, O.V., Fedorchuk, A.O., Albassam, A., El-Naggar, A.M., Kityk, I.V., 02/2016. Huge operation by energy gap of novel narrow band gap Tl1-xIn1-xBxSe2 (B = Si, Ge): DFT, x-ray emission and photoconductivity studies. Mater. Res. Express, 3(2):025902. https://doi:10.1088/2053-1591/3/2/025902.
5. Brik, M.G., Piasecki, M., Kityk, I.V., Structural, Electronic, and Optical Features of CuAl(S1-xSex)2 Solar Cell Materials, 02/2014. Inorg. Chem., 53:2645. https://doi:10.1021/ic403030w.
6. Atuchin V.V., et al., Structure, defects, mechanical and optical properties of hexagonal semiconductor GaSe1-xSx single crystals, Siberian Conference on Control and Communications, Tomsk, IEEE Xplore 2007, pp. 179-184. https://doi:10.1109/SIBCON.2007.371321.
7. Q. Guo, A. Assoud, H. Kleinke, Thallium-based chalcogenides as thermoelectrics, chapter 12, ed. C. Uher, Materials Aspect of Thermoelectricity, Boca Raton, CRC Press, 2016.
8. I.V. Blonsky, M.I. Kolinko, Yu.O. Lun, A.V. Franiv, Influence of static lattice disordering on optical properties of InxTl1-xI crystals, Proc. SPIE 2647 (1995) 452-454. https://doi:10.1117/12.226732.
9. A. Franiv, R. Peleshchyshyn, Y. Kolosivski, Optical properties of quantum size nanocrystals InxTl1-xI embedded in solid matrices, Ukr. J. Phys. Opt. 1 (2000) 24-27. https://doi:10.3116/16091833/1/1/24/2000.
10. Y.O. Dovhyi, A.V. Franiv, S.V. Ternavska, Isostructural phase transition in InxTl1-xI system, Ukr. J. Phys. Opt. 2 (2001) 141-147. https://doi:10.3116/16091833/2/3/141/2001.
11. A.I. Kashuba, M. Piasecki, O.V. Bovgyra, V.Yo. Stadnyk, P. Demchenko, A. Fedorchuk, A.V. Franiv, B. Andriyevsky, Specific features of content dependences for energy gap in InxTl1−xI solid state crystalline alloys, Acta Phys. Pol. A 133 (2018) 68-75. https://doi:10.12693/APhysPolA.133.68.
12. M.S. Brodin, I.V. Blonskii, B.M. Nitsovich, A.S. Krochuk, A.V. Franiv, Dynamical properties of excitons in layer crystals of PbI2, Phys. Status Solidi B 111 (1982) 625-630. https://doi:10.1002/pssb.2221110226.
13. R. Zallen, M.L. Slade, Inter-polytype conversion and layer-layer coupling in PbI2, Solid State Commun. 17 (1975) 1561-1566. https://doi:10.1016/0038- 1098(75)90996-5.
14. A.V. Franiv, A.I. Kashuba, O.V. Bovgyra, Non-linear transducer of mediuminfrared radiation, Patent of Ukraine, Bulletin No. 16, published on 2017-08-28 (http://base.uipv.org/searchINV/ , application number u201702658).
15. L. Helmholz, Z. Kristallogr. 95 (1936) 129-137.
16. R.E. Jones, D.H. Templeton, The crystal structure of indium (I) iodide, Acta Crystallogr. 8 (1955) 847. https://doi.org/10.1107/S0365110X55002594.
17. G. Meyer, T. Staffel, Note on the red monohalides of indium, InCl, InBr, InI, Z. Anorg. Allg. Chem. 574 (1989) 114-118. https://doi:10.1002/zaac.655740112.
18. R.P. Lowndes, C.H. Perry, Molecular structure and anharmonicity in thallium iodide, J. Chem. Phys. 58 (1973) 271-278. https://doi:10.1063/1.1678917.
19. A.V. Franiv, V.Y. Stadnyk, A.I. Kashuba, R.S. Brezvin, O.V. Bovgira, A.V. Futei, Temperature behavior of thermal expansion and birefringence of InxTl1–хІ - substitution solid solutions, Opt. Spectrosc. 123 (2017) 177-180. https://doi:10.1134/S0030400X17070074.
20. A.V. Franiv, A.I. Kashuba, O.V. Bovgyra, O.V. Futey, Elastic properties of substitutional solid solutions InxTl1-хI and sounds wave velocities in them, Ukr. J. Phys. 62 (2017) 679-684. https://doi:10.15407/ujpe62.08.0679.
21. A.I. Kashuba, A.V. Franiv, R.S. Brezvin, O.V. Bovgyra, Birefringence of InxTl1- хI solid state solution, Functional materials 23 (2017) 26–30. https://doi:10.15407/fm24.01.026.
22. A.I. Kashuba, Ya.A. Zhydachevskyy, I.V. Semkiv, A.V. Franiv, O.S. Kushnir, Photoluminescence in the solid solution In0.5Tl0.5I, Ukr. J. Phys. Opt. 19 (2018) 1-8.
23. S.J. Clark, M.D. Segall, C.J. Pickard, P.J. Hasnip, M.J. Probert, K. Refson, M.C. Payne, First principles methods using CASTEP, Zeitschrift für Kristallographie 220 (2005) 567-570. https://doi:10.1524/zkri.220.5.567.65075.
24. Perdew, J.P., Ruzsinszky, A., Csonka, G.I., Vydrov, O.A., Scuseria, G.E., Constantin, L.A., Zhou, X., Burke, K., Restoring the Density-Gradient Expansion for Exchange in Solids and Surfaces, 2008. Phys. Rev. Lett. 100, 136406. https://doi:10.1103/PhysRevLett.101.239702.
25. H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B13 (1976) 5188-5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.
26. Y. Hinuma, G. Pizzi, Y. Kumagai, F. Oba, I. Tanaka, Band structure diagram paths based on crystallography, Comp. Mater. Sci. 128 (2017) 140-184. https://doi:10.1016/j.commatsci.2016.10.015.
27. L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition. Copyright 1939 and 1940, 3rd edition copyright © by Cornell University, 1960.
28. M. Grundmann. The Physics of Semiconductors, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006.
29. Fonari, A., Sutton, C., Effective mass calculator, 2012.
30. H. Fujiwara, Spectroscopic ellipsometry: principles and applications, John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, 2007.
31. A.J. Morris, R. Nicholls, C.J. Pickard, J. Yates, OptaDOS: A tool for obtaining density of states, core-level and optical spectra from electronic structure codes, Comp. Phys. Comm. 185 (2014) 1477-1485. https://doi:10.1016/j.cpc.2014.02.013.
32. P.Y. Yu, M. Cardona, Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties. Springer, 2010.
33. Hou, Q.Y., Li, W.C., Xu, Z.C., Zhao, C.W., Study on the effect of high V doping on the conductivity of anatase TiO2, 2016. Int. J. Modern Phys. B 30, 165001. https://doi:10.1142/S0217979216500016.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-1c650a06-4214-4b7a-830d-dbb44f415844