First Principles Phase Diagram calculations for the CdSe-CdS wurtzite, zincblende and rock salt structures

• Autorzy: Woźniakowski A. , Deniszczyk J. , Adjaoud O. , Burton B. P.

Warianty tytułu

PL

Obliczenia z pierwszych zasad diagramów fazowych dla pseudobinarnego systemu CdSe-CdS krystalizującego w sieciach wurcytu, blendy cynkowej oraz soli kamiennej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The phase diagrams of CdSe1-xSx alloys were calculated for three different crystal structure types: wurtzite (B4); zinc-blende (B3); and rocksalt (B1). Ab initio calculations of supercell formation energies were fit to cluster expansion Hamiltonians, and Monte Carlo simulations were used to calculate finite temperature phase relations. The calculated phase diagrams have symmetric miscibility gaps for B3 and B4 structure types and a slightly asymmetric diagram for B1 structure. Excess vibrational contributions to the free energy were included, and with these, calculated consolute temperatures are: 270 K for B4; 300 K for B3; and 270 K for B1. Calculated consolute temperatures for all structures are in good quantitative agreement with experimental data.

PL

Półprzewodnikowe związki Cd(Se,S) oraz ich stopy charakteryzują się szeroką bezpośrednią przerwą energetyczną i dlatego mogą być przydatne w urządzeniach optoelektronicznych, światłoczułych, detektorach promieniowania gamma, diodach elektroluminescencyjnych, laserach oraz ogniwach słonecznych. Ze względu na możliwość atrakcyjnych zastosowań półprzewodnikowe stopy CdSe1-xSx są w ostatnich latach przedmiotem rozważań teoretycznych oraz intensywnych badań doświadczalnych. Związki Cd(Se,S) w warunkach normalnych krystalizują w heksagonalnej strukturze wurcytu (B4) oraz metastabilnej, ściennie centrowanej strukturze blendy cynkowej (B3). Pod wpływem wysokiego ciśnienia struktury B4 oraz B3 zmieniają swoją formę krystaliczną i przekształcają się w gęstszą, ściennie centrowaną strukturę soli kamiennej (B1). Celem niniejszej pracy jest przeprowadzenie obliczeń diagramów fazowych oraz wyznaczenie krytycznej temperatury mieszalności dla stopów CdSe1-xSx krystalizujących w strukturach B4, B3 oraz B1. Diagramy fazowe zostały wyznaczone na podstawie potencjałów termodynamicznych obliczonych metodą całkowania termodynamicznego Monte Carlo. Zrealizowany proces obliczeń wskazuje na występowanie luk mieszalności w całym zakresie koncentracji CdSe1-xSx dla wszystkich rozpatrywanych sieci krystalicznych. Rezultaty uzyskane dla struktur sieci B4 oraz B3 charakteryzują się symetrycznymi lukami mieszalności. W przypadku struktur sieci B1 luka mieszalności wykazuje lekko asymetryczny charakter. Wyznaczone krytyczne temperatury mieszalności wynoszą 270 K, 300 K, 270 K odpowiednio dla struktur sieci B4, B3 i B1. W obliczeniach uwzględniono efekt drgań sieci, a uzyskane rezultaty wykazują dobrą zgodność z dostępnymi w literaturze danymi eksperymentalnymi.

Słowa kluczowe

EN

clamping; groove rolling; FEM

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 13, No. 2
• Strony: 345--350
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Woźniakowski A.

• Institute of Materials Science, University of Silesia, Bankowa 12, 40-007 Katowice, Poland 2 GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 3.3, Telegrafenberg, 14473 Potsdam, Germany

autor

Deniszczyk J.

• Institute of Materials Science, University of Silesia, Bankowa 12, 40-007 Katowice, Poland 2 GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 3.3, Telegrafenberg, 14473 Potsdam, Germany

autor

Adjaoud O.

• GFZ German Research Centre for Geosciences, Section 3.3, Telegrafenberg, 14473 Potsdam, Germany
• Present address: Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Material- und Geowissenschaften, Fachgebiet Materialmodellierung, Petersenstr. 32, D-64287 Darmstadt, Germany

autor

Burton B. P.

• Ceramics Division, Materials Science and Engineering Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899-8520, USA

Bibliografia

• Adjaoud, O., Steinle-Neumann, G., Burton, B.P., van de Walle,A., 2009, First-principles phase diagram calculations for the HfC-TiC, ZrC-TiC, and HfC-ZrC solid solutions, Phys. Rev. B, 80, 134112-134119.
• Banerjee, R., Jayakrishnan, R., Ayyub, P., 2000, Effect of the size-induced structural transformation on the band gap in CdS nanoparticles, J. Phys. Condens. Matter, 12, 10647-10654.
• Blöchl, P. E., 1994, Projector augmented-wave method, Phys. Rev. B, 50, 17953-17979.
• Burton, B.P., van de Walle, A., 2006, First principles phase diagram calculations for the system NaCl-KCl: The role of excess vibrational entropy, Chem. Geo., 225, 222-229.
• Burton, B.P., van de Walle, A., Kattner, U., 2006, First principles phase diagram calculations for the wurtzitestructure systems AlN-GaN, GaN-InN, and AlN-InN, Journ. Appl. Phys., 100, 113528-113534.
• Breidi, A., 2011, Temperature–pressure phase diagrams, structural and electronic properties of binary and pseudobinary semiconductors: an ab initio study, PhD thesis, l’Université Pual Verlaine, Metz.
• Davies, P.K., 1981, Thermodynamics of solid solution formation, PhD thesis, Arizona State University, Arizona.
• Deligoz, E., Colakoglu, K., Ciftci, Y., 2006, Elastic, electronic, and lattice dynamical properties of CdS, CdSe, and CdTe, Physica B, 373, 124-130.
• Garbulsky, G.D., Ceder, G., 1996, Contribution of the vibrational free energy to phase stability in substitutional alloys: Methods and trends, Phys. Rev. B,53, 8993-9001.
• Hotje, U., Rose, C., Binnewies, M., 2003, Lattice constants and molar volume in the system ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, Sol. State Sci., 5, 1259-1262.
• Jug, K., Tikhomirov, V.A., 2006, Anion substitution in zinc chalcogenides, J. Comput. Chem. 27, 1088-1092.
• Kresse, G., Hafner, J., 1993, Ab initio molecular dynamics for liquid metals, Phys. Rev. B, 47, 558-561.
• Kresse, G., Hafner, J., 1994, Ab initio molecular simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium, Phys. Rev. B, 49, 14251-14269.
• Kresse, G., Furthmüller, J., 1996a, Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set, Comput. Mater. Sci., 6, 15-50.
• Kresse, G., Furthmüller, J., 1996b, Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a planewave basis set, Phys. Rev. B, 54, 11169-11186.
• Lukas, H. L., Fries, S. G., Sundman, B., 2007, Computational Thermodynamics. The Calphad Method, Cambridge Press, Cambridge.
• Madelung, O., Schultz, M., Weiss, H., 1982, Landolt-Bornstein Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, group III, 17b, Springer-Verlag, Berlin.
• Mujica, A., Rubio, A., Munoz, A., Needs, R.J., 2003, High pressure phases of group IV, II-V and II-VI compounds, Rev. Mod. Phys., 75, 863-912.
• Ouendadji, S., Ghemid, S., Meradji, H., El Haj Hassan, F., 2010, Density functional study of CdS1-xSex and CdS1-xTex alloys, Comput. Mater. Sci., 48, 206-211.
• Sanchez, J.M., Ducastelle, F., Gratias, D., 1984, Generalized cluster description of multicomponent systems, Physica A, 128, 334-350.
• Tolbert, S.H., Alivisatos, A.P., 1995, The wurtzite to rock salt transformation structural transformation in CdSe nanocrystals under high pressure, J. Chem. Phys., 102, 4642-4656.
• van de Walle, A., Ceder, G., 2000, First-principles computation of the vibrational entropy of ordered and disordered Pd3V, Phys. Rev. B, 61, 5972-5978.
• van de Walle, A., Ceder, G., 2002a, Automating firstprinciples phase diagram calculations, J. Phase Equilib., 23, 348-359.
• van de Walle, A., Asta, M., Ceder, G., 2002, The alloy theoretic automated toolkit: A user guide, Calphad, 26, 539-553.
• van de Walle, A., Asta, M., 2002, Self-driven lattice-model Monte Carlo simulations of alloy thermodynamic, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng., 10, 521-538.
• van de Walle, A., Ceder, G., 2002b, The effect of lattice vibrations on substitutional alloy thermodynamics, Rev. Mod. Phys., 74, 11-45.
• Wei, S.-H., Zhang, S.B., 2000, Structure stability and carier localization in CdX(X=S, Se, Te) semiconductors, Phys. Rev. B, 62, 6944-6947.
• Xu, F., Ma, X., Kauzlarich, S.M., Navrotsky, A., 2009, Enthalpies of formation of CdSxSe1-x solid solutions, J. Mater. Res., 24, 1368-1374.