Теоретичне дослідження фундаментальних фізичних та оптоелектронних властивостей напівпровідникового халкопіриту ZnSnSb2

Анотація

В статті досліджено невід'ємні фундаментальні фізичні властивості, такі як структурні, електронні, оптичні, пружні, теплові тощо для ZnSnSb₂, використовуючи точний повний потенціал лінеаризованої розширеної плоскої хвилі (FP-LAPW). Ці матеріали мають більш високі енергетичні щілини та нижчі температури плавлення порівняно з їх бінарними аналогами, через що вони вважаються важливими в дослідженнях росту кристалів та в застосуванні для пристроїв. Для структурних властивостей мінімізація проводиться в два етапи, перший параметр u мінімізується шляхом обчислення внутрішніх сил, що діють на атоми всередині одиничної чарунки, поки сили не стануть незначними, для цього використовується завдання MINI, що входить до коду WIEN2K. По-друге, загальна енергія кристала обчислюється для сітки об'єму одиничної чарунки (V) та співвідношення c/a. Для кожного об'єму використовуються п'ять значень c/a, і застосовується поліноміальна підгонка до обчислених енергій, щоб отримання найкращого співвідношення c/a. Ми представили електронні та оптичні властивості з нещодавно розробленим функціоналом щільності Tran і Blaha. Крім того, оптичні характеристики, такі як діелектричні функції, показники заломлення, коефіцієнт згасання, оптична відбивна здатність, коефіцієнти поглинання, оптична провідність, розрахували для енергій фотона до 40 еВ. Для цих властивостей ми використовували WC і TB-mBJ обмінний кореляційний потенціал і отримали величину забороненої зони у діапазоні 0,46 еВ для цього матеріалу, і отримана заборонена зони діапазону добре відповідає експериментальним даним. Потенціал TB-mBJ дає хорошу згоду з експериментальними значеннями, подібними до тих, що отримуються більш досконалими методами, але за значно менших обчислювальних витрат. Основні піки реальної частини електронної діелектричної функції ε₁(ω), яка в основному генерується електронним переходом від вершини валентної зони до нижньої зони провідності, наступає при 1,59 еВ, а спектри ε₁(ω) далі зменшуються до 4,99 еВ. Уявна частина електронної діелектричної постійної ε₂(ω) є основним фактором оптичних властивостей матеріалу. Пропоноване дослідження показує, що критична точка ε₂(ω) виникає при 0,42 еВ, що тісно пов'язане з отриманим значенням щілини в діапазоні 0,46 еВ. Максимальна відбивна здатність виникає в області 3,74-11,33 еВ. Цей матеріал має не зникаючу провідність у зоні видимого світла (1,65 еВ – 3,1 еВ), основний пік настає при 3,80 еВ, який потрапляє у УФ область. Визначено також пружні константи при рівновазі в структурі BCT. Тензор пружної жорсткості сполук халькопіриту має шість незалежних компонентів через властивості симетрії просторової групи, а саме: C₁₁, C₁₂, C₁₃, C₃₃, C₄₄ та C₆₆ у нотації Юнга. Теплові властивості, такі як теплове розширення, теплоємність, температура Дебая, ентропія, параметр Грюнайзена та об'ємний модуль, були обчислені за допомогою квазігармонічної моделі Дебая при різних температурах і тиску. Для визначення термодинамічних властивостей за допомогою квазігармонічної моделі Дебая було взято температурний діапазон 0 K-500 K. Ефекти тиску досліджено в діапазоні 0 – 7 ГПа. Подібні тенденції спостерігаються і в розглянутому діапазоні температур, але вище 600 К тренди порушуються, що може бути пов'язано з плавленням матеріалу. Виходячи з напівемпіричного відношення, ми визначили твердість матеріалів, що пов’язано з різною силою ковалентного зв’язку. Про більшість досліджуваних параметрів повідомляється вперше.