Кристалохімія, оптичні властивості та електронна структура сульфідів R3Fe0,1Ga1,6S7 (R – La, Ce, Pr, Nd, Tb)
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.9.717Ключові слова:
рiдкiсноземельнi елементи, енергодисперсiйний рентґенiвський аналiз, порошкова рентґенiвська дифрактометрiя, метод графiкiв Тауца, метод функцiонала густиниАнотація
За результатами рентґенiвської порошкової дифрактометрiї встановлено кристалохiмiчнi параметри сульфiдiв складу R3Fe0.1Ga1.6S7 (R – La, Ce, Pr, Nd, Tb), якi кристалiзуються у структурному типi La3CuSiS7 (просторова група (ПГ) P63). Кристалiчна структура цих сполук сформована взаємопов’язаним тривимiрним каркасом координацiйних полiедрiв рiзного типу, зокрема семикоординованих полiедрiв [R S7], октаедрiв змiшаного заповнення [M (Fe, Ga) S6] i тетраедрiв [Ga S4]. Якiсний i кiлькiсний елементний склад синтезованих сульфiдiв пiдтверджено методами енергодисперсiйної рентґенiвської спектроскопiї в поєднаннi iз сканувальною електронною мiкроскопiєю (EDX/SEM). Розподiл розмiрiв частинок i ступiнь їх однорiдностi в колоїдних системах (дисперсiя в iзопропiловому спиртi) охарактеризовано методом динамiчного розсiювання свiтла, на основi чого визначено iндекси полiдисперсностi. Оптичнi параметри сульфiдiв встановлено iз застосуванням методу Тауца: ширина забороненої зони становить вiд 1,95 до 2,50 еВ для прямих мiжзонних переходiв i вiд 1,21 до 2,70 еВ для непрямих, що свiдчить про варiативнiсть електронної структури залежно вiд складу. Для сульфiдiв, що мiстять La i Ce, проведено квантово-хiмiчне моделювання в рамках теорiї функцiонала густини (DFT, ab initio пiдхiд), у межах якого розраховано зонну структуру.
Посилання
1. O.V. Marchuk, N.M. Blashko, M.Ya. Rudysh, O.A. Yakymchuk. Crystal and band energy structure of Nd1.5Y(Tb)1.5Ga1.67S7 sulfides. Functional Materials 33 (1), 15 (2026).
https://doi.org/10.15407/fm33.01.15
2. N.M. Blashko, O.V. Marchuk, V.M. Kordan. Synthesis and crystal structure of the R3Fe0.1Ga1.6Se7 selenides (R-La, Ce, Pr, Nd). Phys. Chem. Solid State 26 (3), 556 (2025).
https://doi.org/10.15330/pcss.26.3.556-563
3. N.M. Blashko, O.V. Marchuk, A.O. Fedorchuk. The crystal structure of R3Fe0.1Ga1.6S7 chalcogenides (R-La, Ce, Pr and Tb). Phys. Chem. Solid State 25 (4), 677 (2024).
https://doi.org/10.15330/pcss.25.4.677-683
4. N.M. Blashko, O.V. Smitiukh, O.V. Marchuk. The crystal structure of La3Pb0.1Ga1.6S7 and Pr3Pb0.1Ga1.6S7 compounds. Phys. Chem. Solid State 23 (1), 96 (2022).
https://doi.org/10.15330/pcss.23.1.96-100
5. B.J. Eggleton, B. Luther-Davies, K. Richardson. Chalcogenide photonics. Nature Photonics 5 (3), 141 (2011).
https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.309
6. J.R. Sootsman, D.Y. Chung, M.G. Kanatzidis. New and old concepts in thermoelectric materials. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 48, 8616 (2009).
https://doi.org/10.1002/anie.200900598
7. K. Mitchell, J.A. Ibers. Rare-earth transition-metal chalcogenides. Chem. Rev. 102 (6), 1929 (2002).
https://doi.org/10.1021/cr010319h
8. M. Ohta, T. Kuzuya, H. Sasaki, T. Kawasaki, S. Hirai. Synthesis of multinary rare-earth sulfides PrGdS3, NdGdS3, and SmEuGdS4, and investigation of their thermoelectric properties. J. Alloys Comp. 484, 268 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.04.076
9. M. Wuttig, N. Yamada. Phase-change materials for rewriteable data storage. Nature Mater. 6, 824 (2007).
https://doi.org/10.1038/nmat2009
10. A. K. Iyer, B.W. Rudyk, X. Lin, H. Singh, A.Z. Sharma, C.R. Wiebe, A. Mar, Noncentrosymmetric rare-earth copper gallium chalcogenides RE3CuGaCh7 (RE = La-Nd; Ch = S, Se): An unexpected combination. J. Solid State Chem. 229, 150 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.jssc.2015.05.016
11. B.W. Rudyk, S.S. Stoyko, A.O. Oliynyk, A. Mar. Rare-earth transition-metal gallium chalcogenides Re3MGaCh7 (M = Fe, Co, Ni; Ch = S, Se). J. Solid State Chem. 210 (1), 79 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.11.003
12. A.K. Iyer, W. Yin, B.W. Rudyk, X. Lin, T. Nilges, A. Mar. Metal ion displacements in noncentrosymmetric chalcogenides La3Ga1.67S7, La3Ag0.6GaCh7 (Ch = S, Se), and La3MGaSe7 (M = Zn, Cd). J. Solid State Chem. 243, 221 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.08.031
13. He Jianqiao, W. Zhe, Z. Xian, C. Ye, G. Yu, X. Lai, C. Zheng, J. Lin, F. Huang. Synthesis, structure, magnetic and photoelectric properties of Ln3M0.5M'Se7 (Ln = La, Ce, Sm; M = Fe, Mn; M' = Si, Ge) and La3MnGaSe7. RSC Adv. 5, 52629 (2015).
https://doi.org/10.1039/C5RA05629B
14. Y. Wenlong, S. Youguo, K. Bin, D. Jianguo, Y. Jiyong, Wu Yicheng. Rare-earth transition-metal chalcogenides Ln3MGaS7 (Ln = Nd, Sm, Dy, Er; M = Co, Ni) and Ln3MGaSe7 (Ln = Nd, Sm, Gd, Dy, M = Co; Ln = Nd, Gd, Dy, M = Ni). J. Solid State Chem. 213, 87 (2014).
https://doi.org/10.1016/j.jssc.2014.01.033
15. I. Chung, M.G. Kanatzidis. Metal Chalcogenides: A Rich Source of Nonlinear Optical Materials. Chem. Mater. 26, 849 (2014).
https://doi.org/10.1021/cm401737s
16. A.K. Iyer, W. Yin, E.J. Lee, X. Lin, A. Mar. Quaternary rare-earth sulfides RE3M0.5GeS7 (RE = La-Nd, Sm; M = Co, Ni) and Y3Pd0.5SiS7. J. Solid State Chem. 250, 14 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.jssc.2017.03.009
17. L. Akselrud, Y. Grin. WinCSD: Software package for crystallographic calculations (Version 4). J. Appl. Cryst. 47, 803 (2014).
https://doi.org/10.1107/S1600576714001058
18. K. Momma, F. Izumi. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data. J. Appl. Cryst. 44, 1272 (2011).
https://doi.org/10.1107/S0021889811038970
19. P. Kubelka, F. Munk. An article on optics of paint layers. Z. Tech. Phys. 12, 593 (1931).
20. J. Tauc, R. Grigorovici, A. Vancu. Optical properties and electronic structure of amorphous germanium. Phys. Status Solidi 15, 627 (1966).
https://doi.org/10.1002/pssb.19660150224
21. W. Kohn, L.J. Sham. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev. 140, 1133 (1965).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
22. S. Clark, M. Segall, C. Pickard, P. Hasnip, M. Probert, R. Refson, M. Payne. First principles methods using CASTEP. Z. Kristallographie - Crystalline Mater. 220, 567 (2005).
https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075
23. M. Segall, P. Lindan, M. Probert, C. Pickard, S. Hasnip, S. Clark, M. Payne. First-principles simulation: Ideas, illustrations and the CASTEP code. J. Phys.: Condens. Matter. 14, 2717 (2002).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/11/301
24. L. Bellaiche, D. Vanderbilt. Virtual crystal approximation revisited: Application to dielectric and piezoelectric properties of perovskites. Phys. Rev. B 61, 7877 (2000).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.7877
25. D. Hamann, M. Schl¨uter, C. Chiang. Norm-conserving pseudopotentials. Phys. Rev. Lett. 43, 1494 (1979).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.1494
26. J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
27. H.J. Monkhorst, J.D. Pack. Special points for Brillonin-zone integrations. Phys. Rev. B: Solid State. 13, 5188 (1976).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
28. A.M. Loireau-Lozach, M. Guittard, J. Flahaut. Systemes L2S3-Ga2S3 (L = La, Ce, Dy, Er et Y). Mat. Res. Bull. 12, 881, (1977).
https://doi.org/10.1016/0025-5408(77)90099-X
29. M. Patrie, M. Guittard. Chimie minerale. Sur les composes du type Ce6Al10/3S14. C. R. Acad. Sci. C 268, 1136 (1969).
30. M. Guittard, M. Julien-Pouzol. Les composes hexagonaux de type La3CuSiS7. Bulletin de la Societe Chimique de France 6, 2207 (1972).
31. C.G. Ma, M.G. Brik, D.X. Liu, B. Feng, Ya Tian, A. Suchocki. Energy level schemes of fN electronic configurations for the di-, tri-, and tetravalent lanthanides and actinides in a free state. J. Lumin. 170, 369 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.07.053
32. S.W. Yu, M.H. Carpenter, F. Ponce, S. Friedrich, J.S. Lee. Atomic origin of 3d9 4f1 configuration in La3+ solids. J. Phys.: Condens. Matter. 27, 405501 (2015).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/27/40/405501
33. M. Seshadri, I.T.C. Santos, M.J.V. Bell, J. Lapointe, Y. Messaddeq, V. Anjos. Near-infrared quantum cutting luminescence in Pr3+/Yb3+ doped lead bismuth borate glass. Sci. Rep. 12, 19311 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41598-022-23808-3
34. J.A. Jim'enez, R. Amesimenu, M. Thomas. Impact of lanthanide (Nd3+, Gd3+ and Yb3+) ionic field strength on the structure and thermal expansion of phosphate glasses. J. Phys. Chem. B 128 (12), 2995 (2024).
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.3c07767
35. M.Y.A. Yagoub, H.C. Swart, E. Coetsee. Energy transfer study between Ce3+ and Tb3+ ions in a calcium fluoride crystal for solar cell applications. J. Lumin. 187, 96 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2017.02.066
36. S. Kalusniak, T. Castellano-Hern'andez, H. Yal¸cino˘glu, H. Tanaka, C. Kr¨ankel. Spectroscopic properties of Tb3+ as an ion for visible lasers. Appl. Phys. B 128, 33 (2022).
https://doi.org/10.1007/s00340-022-07759-1
37. J.-H. Feng, C.-Li Hu, X. Xu, B.-X. Li, M.-J. Zhang, J.-G. Mao. AgGa2PS6: A new mid-infrared nonlinear optical material with a high laser damage threshold and a large second harmonic generation response. Chem. - A Europ. J. 23 (46), 10978 (2017).
https://doi.org/10.1002/chem.201702632
38. X. Huang, Q. Wu, R. Dai, J. Ning, L. Zhang, W. Wang, S. Xue, J. Yan, F. Zhang. A density functional study of the structural, electronic, optical and lattice dynamical properties of AgGaS2. Results in Phys. 35, 105309 (2022).
https://doi.org/10.1016/j.rinp.2022.105309
39. T.-J. Wang, H.-Z. Zhang, F.-G. Wu, Z.-S. Feng, H.-Y. Zang, Z.-H. Kang, Y. Jiang, J.-Y. Gao. 3-5 um AgGaS2 optical parametric oscillator with prism cavity. Laser Phys. 19, 377 (2009).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
