[論文レビュー] First-principles calculations of Sc2CdS4 and Y2CdS4 compounds

Abdul Ahad Khan, Zubaida Noor+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2018

Chalcogenide Semiconductor Thin Films参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論計算を用いてSc2CdS4およびY2CdS4化合物を調査し、両材料がそれぞれ1.886 eVおよび2.209 eVの直接的なバンドギャップを示すことが判明した。S-p軌道とSc/Y-d軌道の強い混合が電気的輸送を強化している。これらの化合物は高い光学的および熱的応答を示し、ホール主導の電荷輸送を示すP型材料として、光エレクトロニクスおよび熱電応用に強く有望である。

ABSTRACT

Direct energy bandgap materials are crucial for the efficient optoelectronics devices. Therefore, the investigation of new direct gap materials is important. In the present work, two novel d-metal sulfides Sc2CdS4 and Y2CdS4 compounds are investigated by using the all electron full potential linearized augment plane wave method. Both the compounds show semiconducting nature and direct band gap with a value 1.886eV for Sc2CdS4 and 2.209eV for Y2CdS4, respectively. Strong hybridization between S-p and Sc/Y-d orbitals present among valence and conduction bands which is beneicial to electrical transport. Key optical parameters are calculated. The static value of the reflectivity R(0) and refractive index n(0) are vary inversely with the energy band gap (Eg). Both the compounds Sc2CdS4 and Y2CdS4 are P-type thermoelectric materials because the Hole carriers dominate the electronic transport. High optical and thermal response for all compounds reveals that they are potential candidates for optical and thermoelectric devices.

研究の動機と目的

• 効率的な光エレクトロニクス応用に適した新しい直接的バンドギャップ半導体を探索すること。
• Sc2CdS4およびY2CdS4という新しいd金属硫化物の電子的および光学的性質を調査すること。
• キャリア優位性および輸送挙動の分析を通じて、これらの化合物の熱電的ポテンシャルを評価すること。
• バンドギャップエネルギーと反射率や屈折率などの光学応答パラメータの関係を特定すること。

提案手法

• 電子構造計算には、全電子フルポテンシャル線形化 augmented 平面波（FP-LAPW）法が用いられた。
• 基底状態の性質を計算するために、一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）が使用された。
• 軌道混合およびバンドギャップの性質を分析するために、電子バンド構造および状態密度が計算された。
• 誘電関数から得られる静的反射率R(0)および屈折率n(0)を含む光学的パラメータが計算された。
• キャリア有効質量および輸送挙動の分析を通じて、熱電性能を評価した。
• バンドギャップはPBE関数を用いて計算され、スピン軌道相互作用は無視された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sc2CdS4およびY2CdS4は、光エレクトロニクス応用に適した直接的バンドギャップを示すか？
• RQ2 これらの化合物におけるS-p軌道と遷移金属d軌道の間の軌道混合の程度および性質は何か？
• RQ3 反射率や屈折率などの光学的性質は、バンドギャップエネルギーとどのように相関するか？
• RQ4 これらの材料は熱電応用に適しているか？また、輸送を支配する電荷キャリアの種類は何か？
• RQ5 バンドギャップと静的光学応答パラメータR(0)およびn(0)との関係は何か？

主な発見

• Sc2CdS4は1.886 eVの直接的バンドギャップを示し、Y2CdS4は2.209 eVのより大きな直接的バンドギャップを示す。
• 両化合物においてS-p軌道とSc/Y-d軌道の強い混合が観察され、電気的輸送特性が向上している。
• 静的反射率R(0)および屈折率n(0)はバンドギャップエネルギーと逆に変化しており、光学的応答のチューニングが可能であることを示している。
• 両化合物ともP型の性質を示し、ホールキャリアが電子的輸送を支配しており、熱電応用の可能性が示唆される。
• 高い光学的および熱的応答が示され、光学的および熱電デバイスへの応用に強く適していることが示された。
• 計算された光学的パラメータは、これらの材料が可視光応用に向けた有望な候補であることを確認している。