[논문 리뷰] First-principles calculations of Sc2CdS4 and Y2CdS4 compounds

Abdul Ahad Khan, Zubaida Noor외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 09.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 전자 밀도 함수 이론 계산을 사용하여 Sc2CdS4 및 Y2CdS4 화합물을 연구하여, 두 물질 모두 각각 1.886 eV 및 2.209 eV의 직접 띠 간극을 가지며, 강한 S-p 및 Sc/Y-d 오비탈 혼성화로 인해 전기적 운반체 운반 성능이 향상됨을 밝혀냈다. 이 화합물들은 높은 광학적 및 열적 반응성을 보이며, 주로 정공 도핑에 의한 P형 전도 특성을 띠고 있어, 광전기 및 열전 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 효율적인 광전기 응용을 위한 새로운 직접 띠 간극 반도체를 탐색하기 위해.
• 새로운 d-전이 금속 황화물인 Sc2CdS4 및 Y2CdS4의 전자적 및 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 운반자 지배성 및 운반 거동 분석을 통해 이 화합물들의 열전 잠재력을 평가하기 위해.
• 띠 간극 에너지와 반사도 및 굴절률과 같은 광학적 응답 매개변수 간의 관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 계산을 위해 전자 전체의 평면파 기반 선형화된 증강 평면파(FP-LAPW) 방법을 사용하였다.
• 기본 상태 성질을 계산하기 위해 일반화된 기울기 근사(GGA)를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 오비탈 혼성화 및 띠 간극 성격 분석을 위해 전자 띠 구조 및 상태 밀도를 계산하였다.
• 유전율 함수에서 유도된 정적 반사도 R(0) 및 굴절률 n(0)을 포함한 광학적 매개변수를 계산하였다.
• 운반자 효과 질량 및 운반 거동 분석을 통해 열전 성능을 평가하였다.
• 띠 간극 에너지는 PBE 기능을 사용하여 계산하였으며, 스핀-오비탈 결합 효과는 무시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sc2CdS4 및 Y2CdS4는 광전기 응용에 적합한 직접 띠 간극을 가지는가?
• RQ2 이 화합물들 내에서 S-p 오비탈과 전이 금속 d-오비탈 간의 혼성화 정도 및 성격은 어떠한가?
• RQ3 반사도 및 굴절률과 같은 광학적 성질이 띠 간극 에너지와 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 이 물질들은 열전 응용에 적합한가? 그리고 전도에서 주로 어떤 종류의 운반자가 지배하는가?
• RQ5 띠 간극 에너지와 정적 광학 응답 매개변수 R(0) 및 n(0) 사이의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• Sc2CdS4는 1.886 eV의 직접 띠 간극을 가지며, Y2CdS4는 더 큰 2.209 eV의 직접 띠 간극을 가진다.
• 두 화합물 모두 S-p와 Sc/Y-d 오비탈 간 강한 혼성화가 관찰되어 전기적 운반체 운반 성능이 향상된다.
• 정적 반사도 R(0)와 굴절률 n(0)은 띠 간극 에너지와 반비례하며, 이는 광학적 반응 조절 가능성을 시사한다.
• 두 화합물 모두 P형 특성을 보이며, 정공 운반자가 전자적 운반에서 지배적이므로 열전 응용 잠재력이 있다.
• 높은 광학적 및 열적 반응성은 이 물질들이 광학 및 열전 장치에 매우 적합함을 시사한다.
• 계산된 광학 매개변수들은 이 물질들이 가시광선 광전기 응용 분야에서 유망한 후보자임을 확인한다.