Структурні, оптоелектронні та механічні властивості перовскитів AHgCl3 (A=Rb, Cs): аналіз з перших принципів GGA та TB-mBJ
Анотація
Структурні, механічні та оптоелектронні властивості кубічних галогенідних перовскітів AHgCl₃ (A = Rb, Cs) досліджували за допомогою теорії функціоналу густини (DFT) у рамках методу повнопотенціальної лінеаризованої доповненої плоскої хвилі (FP-LAPW), реалізованого в коді WIEN2k. Структурну стабільність кубічної фази підтверджували за допомогою коефіцієнта толерантності Гольдшмідта та октаедричного коефіцієнта, тоді як негативні енергії утворення підтвердили їх термодинамічну стабільність. Розраховані параметри пружності, включаючи коефіцієнт Пуассона, коефіцієнт П'ю та тиск Коші, вказують на те, що обидві сполуки є механічно стабільними, пластичними та переважно демонструють іонну природу зв'язків. Оптоелектронні властивості досліджували за допомогою модифікованого потенціалу Бекке-Джонсона Трана-Блаха (TB-mBJ). Результати показують, що RbHgCl₃ та CsHgCl₃ є напівпровідниками з непрямою забороненою зоною та шириною забороненої зони 1,25 еВ і 1,16 еВ відповідно. Крім того, оптичні властивості були проаналізовані в діапазоні енергії фотонів 0–20 еВ. Обидві сполуки демонструють сильне поглинання в ультрафіолетовому діапазоні та низьку відбивну здатність за нульової енергії фотонів, що вказує на сприятливі характеристики для оптоелектронних застосувань. Загалом, ці результати свідчать про те, що галогенідні перовскіти AHgCl₃ (A = Rb, Cs) є перспективними кандидатами для застосування у фотоелектричних пристроях та ультрафіолетових фотодетекторах.
Завантаження
Посилання
P. Kumari, R. Sharma, U. Lilhore, R. Khenata, and V. Srivastva, “First-principles study on structural, electronic, elastic, mechanical, thermodynamic, and thermoelectric properties of RbSnX3(X= F, Cl, and Br) perovskites,” J. Energy Research, 46, 23893 (2022). https://doi.org/10.1002/er.8687
S. Gupta, S. Singh, R.R. Chaudhary, D. Shikha, and V. Singh, “Review: perovskite materials, properties, and their multifunctional applications,” J. Mech. Eng. 7, 44 (2022).
S.C. Mouna, M. Radjai, A. Bouhemadou, D. Houatis, D. Allali, S.S. Essaoud, and S. Bin-omran, “Structural, elastic, and thermodynamic properties of BaXCl 3(X=Li, Na) perovskites under pressure effectab-initio exploration,” Physica Scripta, 98, 065949 (2023).https://doi.org/10.1088/1402-4896/acd3c4
S. Seok, and T.F. Guo, “Halide perovskite materials and devices,” MRS Bulletin, 45, 427 (2020). https://doi.org/10.1557/mrs.2020.140
F. Erdinc, E.K. Dogan, and H. Akkus, “Investigation of structural, electronic, optic, and elastic properties of perovskite ReGeCl3 crystal: a first principles study,” Gaz University Journal of science, 32, 1008 (2019). https://doi.org/10.35378/gujs.448378
S. Naseem, N.A. Noor, R. Ashraf, F. Alresheedi, M. Laraib, A. Rehman, and S. Raiz, “DFT based study of copper calcium halide perovskite nanomaterials for optoelectronic and energy applications,” Results in Physics, 58, 107485 (2024). https://doi.org/10.1016/j.rinp.2024.107485
S. Bouchikhi, K. Benyahia, R. Mehyaoui, and A. Touia, “First principles calculations of the inorganic halide perovskite RbSnBr3: optical and thermoelectric properties of its three phases,” Computational Condensed Matter, 33, e00761 (2022). https://doi.org/10.1016/j.cocom.2022.e00761
M. Husain, N. Rahman, M. Albalawi, S. Ezzine, M. Amami, T. Zaman, A. Rehman, et al., “Examining computationally the structural, elastic, optical and electronic properties of CaQCl 3(Q=Li and K) Chloroperovskites using DFT framework,” RSC advances, 12, 32338 (2022). https://doi.org/10.1039/d2ra05602j
A. Jehan, M. Husain, V. Tirth, A. Algahtani, M. Uzair, N. Rahman, and S.N. Khan, “Investigation of the structural, electronic, mechanical, and optical properties of NaXCl 3(X=Be, Mg) using density functional theory,” RSC Advances, 13, 28395 (2023).https://doi.org/10.1039/d3ra04922a
A. Jehan, M. Husain, N. Sfina, S.N. Khan, N. Rahman, V. Tirth, R. Khan, et al., “First principles calculations to investigate structural, elastic, electronic, and optical properties of XSrCl3(X=Li, Na),” Optik, 287, 171088 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171088
A. Aqili, A.Y. Al-Reyahi, S.M. Al-Azar, S.S. Essaoud, M.E. Ketfi, M.E. Maghrabi, N. Al-Aqtash, and A. Mufleh, “Investigation the physical characteristics of inorganic cubic perovskite CsZnX3(X=F, Cl, Br, and I): An extensive ab-initio study towards devices,” Computational and Theoretical Chemistry, 1238, 114721 (2024). https://doi.org/10.1016/j.comptc.2024.114721
S. Ullah, M. Alshahrani, D. Alshehri, S. Tirth, V. Algahtani, A. Almalki, N. Rahman, et al., “First-principles insights into the structural, elastic, electronic, and optical properties of KHgX3 (X= F, Cl) novel halide perovskites,” Indian Journal of Physics, 1-15 (2025). https://doi.org/10.1007/s12648-025-03878-5
M. Arif, A. Reshak, S. Zaman, M. Hussain, N. Rahman, S. Ahmad, M. Saqib, et al., “Density functional theory based study of the physical properties of cesium based cubic halide perovskites CsHgX3 (X=F, Cl),” International Journal of Energy Research, 46, 2467-2476 (2022). https://doi.org/10.1002/er.7321
S. Kirklin, J.E. Saal, B. Meredig, A. Thompson, J.W. Doak, M. Aykol, S. Rühl, and C. Wolverton, “The open quantum materials database (OQMD): assessing the accuracy of DFT formation energies,” Nbj Comput. Mater. 1, 1 (2015). https://doi.org/10.1038/npjcompumats.2015.10
J. Saal, S. Kirklin, M. Aykol, B. Meredig, and C. Wolverton, “Materials design and discovery with high-throughput density functional theory: the open quantum materials database (OQMD),” JOM, 65, 1501-1509 (2013). https://doi.org/10.1007/s11837-013-0755-4
P. Blaha, K. Schwarz, G.A.H. Medsen, D. Kvasnicka, and J. Luitz, WIEN2K: An Augmented Plane Wave Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties, (Techn University, Wien, 2001).
P. Blaha, K. Schwarz, P. Sorantin, and S.B. Trickey, “Full- Potential Linearized Augmented Plane Wave Program for Crystalline Systems,” Comput. Phys. Commun. 59, 399 (1990). https://doi.org/10.1016/0010-4655(90)90187-6
W. Kohn, and L.J. Sham, “Self-consist equations including exchange and correlation effects,” Phys. Review, 140, A1133 (1965). https://doi.org/10.1103/physrev.140.a1133
P. Hohenberg, and W. Kohn, “Density functional theory (DFT),” Phys. Review B, 136, 864 (1964). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
J.P. Perdew, S. Burke, and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Phys. Review. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
Z. Wu, and R.E. Cohen, “More accurate generalized gradient approximation for solids,” Phys. Review B, 73, 235116 (2006). https://doi.org/10.1103/physrevb.73.235116
J.P. Perdew, A. Ruzsinszky, G.I. Csonka, O.A. Vydrov, G.E. Scuseria, L.A. Constantin, X. Zhou, et al., “Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces,” Phys. Review Lett. 100, 136406 (2008). https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.039902
F.D. Murnaghan, “The Compressibility of Media Under Extreme Pressure,” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 30, 244 (1944). https://doi.org/10.1073/pnas.30.9.244
F. Tran, and P. Blaha, “Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential,” Phys. Review. Lett. 102, 226401 (2009). https://doi.org/10.1103/physrevlett.102.226401
M. Jamal, S.J. Asadabadi, I. Ahmed, and H.R. Aliabad, “Elastic constants of cubic crystals,” Comput. Mater. Sci. 95, 592 (2014). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.08.027
R. Ali, G.J. Hou, Z.G. Zhu, Q.B. Yan, Q.R. Zheng, and G. Su, “Stable mixed group II (Ca, Sr) and XIV(Ge, Sn) Lead-free perovskite solar cells,” J. Mater. Chem. 6, 9220 (2018). https://doi.org/10.1039/c8ta01490f
Y. Zhou, and Y. Zhao, “Chemical stability and instability of inorganic halide perovskites,” Energy & Environmental Science, 12, 1495 (2019). https://doi.org/10.1039/c8ee03559h
Y. Nassah, A. Benmakhlouf, L. Hadjeris, T. Helaimia, R. Khenata, A. Bouuhemadon, S. Bin-omran, et al., “Electronic, band structure, mechanical and optical characteristics of new lead-free halide perovskites for solar cell applications based on DFT computation,” Bull. Mater. Sci. 46, 55 (2023). https://doi.org/10.1007/s12034-023-02890-x
F. Mouhat, and F.X. Coudert, “Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems,” Phys. Review, 90, 224104 (2014). https://doi.org/10.1103/physrevb.90.224104
J. Wang, S. Yip, S.R. Phillpot, and D. Wolf, “Crystal instabilities et finit strain,” Phys. Review Lett. 71, 4182 (1993). https://doi.org/10.1103/physrevlett.71.4182
A.A. Mousa, M.S. Abu-Jafar, D. Dahbiah, R.M. Shaltaf, and J.M. Khalifeh, “Investigation of the perovskite KSrX3(X=Cl and F) Compounds, Examining the optical, Elastic, Electronic, and Structural Properties: FP-LAPW Study,” J. Electron. Mater. 47, 641 (2018). https://doi.org/10.1007/s11664-017-5817-x
W. Voight, Lehrbuch des Kristallphysik, (Teubnes, Leipzig, 1928).
A. Reuss, “Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizitätsbedingung für Einkristalle,” Z. angew. Math. Mech. 9, 49 (1929). https://doi.org/10.1002/zamm.19290090104
H. Fu, D. Li, F. Peng, T. Cao, and X. Cheng. “Ab initio calculations of elastic constants and thermodynamicproperties of NiAl under high pressures,” Comput. Mater. Sci. 44, 774 (2008). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.05.026
G. Murtaza, R. Khenata, S. Mohamed, S. Naeem, M.N. Khalid, and A. Manzar, “Structural, elastic, electronic, and optical properties of CsMCl 3(M=Zn, Cd),” Physica B: Condensed Matter. 420, 15 (2013). https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.03.011
I.N. Frantsevich, F.F. Voronov, and S.A. Bokuta, Elastic Constants and Elastic Moduli of Metals and Insulators, Handbook, (Naukuva Dumka, Kiev, 1983). pp. 60. (in Ukrainian)
S.F. Pugh, “XCII. Relations between the elastic moduli and plastic properties of polycrystalline pure metals,” (London, Edinburgh Dublin Philos. Mag. J. Sci. 45, 823 (1954). https://doi.org/10.1080/14786440808520496
D.G. Pettifor, “Theoretical predictions of structure and related properties of intermetallics,” Mater. Sci. Techno. 8, 345 (1992). https://doi.org/10.1179/mst.1992.8.4.345
R. Gaillac, P. Pullumbi, F.-X. Coudert, “ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors,” J. Phys. Condens Matter, 28, 275201 (2016). https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/27/275201
S.C. Wu, G.H. Fecher, S.S. Naghavi, and C. Felser, “Elastic properties and stability of Hensler compounds: Cubic Co2YZ compounds with L21 structure,” J. Appl. Phys. 125, 082523 (2019).https://doi.org/10.1063/1.5054398
E. Schreibes, O.L. Anderson, and N. Soga, Elastic Constants and Their Measurements, (McGraw-Hill, NewYork,1996).
L.O. Anderson, “A simplified method for calculating the Debye temperature from elastic constants,” J. Phys. Chem. Solids, 24, 909 (1963). https://doi.org/10.1016/0022-3697(63)90067-2
M.E. Fine, L.D. Brown, and H.L. Marcus, “Electronic constants versus melting temperature in metals,” Scr. Metall. 18, 951 (1984). https://doi.org/10.1016/0036-9748(84)90267-9
D.R. Penn, “Wave- number-dependent dielectric function of semiconductors,” Phys. Review, 128, 2093 (1960). https://doi.org/10.1103/physrev.128.2093
M. Houari, B. Bouadjemi, S. Haid, M. Matoughui, T. Lantn, Z. Aziz, S. Bentata, and B. Bouhafs, “Semiconductors behavior of halide perovskites AGeX 3(A=K, Rb and Cs; X=F, Cl, and Br): First-principles calculations,” Indian J Phys. 94, 455 (2020). https://doi.org/10.1007/s12648-019-01480-0
R. Sharma, A. Dey, S.A. Dar, and V. Srivastava, “A DFT investigation of CsMgX 3(X=Cl, Br) halide perovskites: Electronic, thermoelectric and optical properties,” Computational and Theoretical Chemistry, 1204, 113415 (2021). https://doi.org/10.1016/j.comptc.2021.113415
Авторське право (c) 2026 Хабіба Бухерауа, Ель-Джемаї Белбача
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
