Дослідження фаз ScN при високому тиску з перших принципів
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe66.8.699Ключові слова:
повнопотенцiальний метод лiнеаризованих приєднаних плоских хвиль, нiтрид скандiю, фазовий перехiд, наближення узагальненого градiєнта, електронна структураАнотація
Представлено результати повноенергетичних розрахункiв з перших принципiв структурних властивостей напiвпровiдника нiтриду скандiю (ScN) в структурах типу NaCl (B1), CsCl (B2), сфалериту (B3), вюрциту (B4), NiAs (B81), CaSi (Bc), B-Sn (A5), i CuAu (L10). Розрахунки виконано багатоелектронним повнопотенцiальним методом лiнеаризованих приєднаних плоских хвиль, заснованим на теорiї функцiонала густини в наближеннi узагальненого градiєнта для функцiонала обмiнної кореляцiйної енергiї. Передбачено новий фазовий перехiд iз найбiльш стабiльної кубiчного типу NaCl структури (B1) в структуру типу B-Sn (A5) при тиску 286,82 ГПа з величиною прямозонної щiлини близько 1,975 еВ. Ми показали, що ScN перетвориться з орторомбiчного типу CaS структури (Bc) в A5 при 315 ГПа. Вiдповiдно до вiдомих ab initio розрахункiв, ми знайшли, що B1 фаза переходить у Bc, L10 та B2 структури при 256,27 ГПа, 302,08 ГПа i 325,97 ГПа, вiдповiдно. Електронна структура фази A5 показує, що ScN має прямозонну щiлину в X точцi з Eg близько 1,975 еВ.
Посилання
1. H. Berkok, A. Tebboune, M.N. Belkaid. Structural properties and new phase transitions of ScN using FP-LMTO method. Physica B 406, 3836 (2011).
https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.07.006
B. Ul Haq, A. Afaq, G. Abdellatif, R. Ahmed, S. Naseem, R. Khenata. First principles study of scandium nitride and
yttrium nitride alloy system: Prospective material for optoelectronics. Superlattice Microst. 85, 24 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.04.018
B. Biswas, B. Saha. Development of semiconducting ScN. Phys. Rev. Materials. 3, 020301 (2019).
https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.020301
A. Maachou, B. Amrani, M. Driz. Structural and electronic properties of III-V scandium compounds. Physica B 388, 384 (2007).
https://doi.org/10.1016/j.physb.2006.06.145
S. Tahri, A. Qteish, I.I. Al-Qasir, N. Meskini. Vibrational and thermal properties of ScN and YN: Quasiharmonic approximation calculations and anharmonic effects. J. Phys. Condens. Matter. 24, 035401 (2012).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/3/035401
V. Adhikari, N.J. Szymanski, I. Khatri, D. Gall, S.V. Khare. First principles investigation into the phase stability and enhanced hardness of TiN-ScN and TiN-YN alloys. Thin Solid Films 688, 137284 (2019).
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.05.003
M.J. Winiarski, D. Kowalska. Structural, electronic, optical and magnetic properties of EuO and DyO compounds: Ab initio study. Mater. Res. Express 6, 095910 (2019).
A.T.A. Meenaatci, R. Rajeswarapalanichamy, K. Iyakutti. Investigation of structural stability and electronic properties of group III nitrides: A first principles study. Phase Transit. 86, 570 (2013).
https://doi.org/10.1080/01411594.2012.713486
H. Rekab-Djabri, R. Khatir, S. Louhibi-Fasla, I. Messaoudi, H. Achour. FPLMTO study of new phase changes in CuX (X = Cl, Br, I) compounds under hydrostatic pressure. Comput. Condens. Matter. 10, 15 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.cocom.2016.04.003
L. Boudaoud, W. Adli, R. Mecheref, N. Sekkal, F. Tair, B. Amrani, S. Louhibi, A. Tebboune. Electronic properties of cubic ScGaAs and ScGaN ternaries and superlattices. Superlattice Microst. 47, 361 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.spmi.2009.11.006
P. Perdew, Y. Wang. Erratum: Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy. Phys. Rev. B 45, 13244 (1992).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.45.13244
P. Blaha, K. Schwarz, G.K.H. Madsen, D. Kvasnicka, J. Luitz. WIEN2k: An Augmented Plane Wave Plus Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties. Edited by K. Schwarz (Vienna University of Technology, 2001).
P. Hohenberg, W. Kohn. In homogeneous electron gas. Phys. Rev. B 136, 864 (1964).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
W. Kohn, L.J. Sham. Self-consistent equations including exchange and correlation effect. Phys. Rev. A 140, 1133 (1965).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
J.P. Perdew, Y. Wang. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy. Phys. Rev. B 45, 13244 (1992).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.45.13244
L.A. Palomino-Rojas, M. Lуpez-Fuentes, G.H. Cocoletzi, G. Murrieta, Romeo de Coss, N. Takeuchi. Density functional study of the structural properties of silver halides: LDA vs GGA calculations. Solid State Sci. 10, 1228 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007.11.022
F.D. Murnaghan. The compressibility of media under extreme pressures. Proc. Natl. Acad. Sci. USA30, 5390 (1944).
https://doi.org/10.1073/pnas.30.9.244
A.R. Oganov, J.P. Brodholt, G.D. Price. Ab Initio Theory of Phase Transitions and Thermoelasticity of Minerals. Edited by C.M. Gramaccioli (E'otv'os University Press, Budapest, 2002).
R. Yagoub, A. Hadjfatah, S. Louhibi-Fasla, S. Daoud, S. Bahlouli, A. Haichour, C. Zegadi. J. Nano-Electron. Phys. 12 (5), 05009 (2020).
A. Tebboune, D. Rached, A. Benzair, N. Sekkal, A.H. Belbachir. Structural and electronic properties of ScSb, ScAs, ScP and ScN. Phys. Status Solidi B 243, 2788 (2006).
https://doi.org/10.1002/pssb.200541356
N. Takeuchi. First-principles calculations of the groundstate properties and stability of ScN. Phys. Rev. B 65, 045204 (2002).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.045204
D. Gall, I. Petrov, N. Hellgren, L. Hulman, J-E. Sundgren, J.E. Greene. Growth of poly- and single-crystal ScN on MgO(001): Role of low-energy N2+ irradiation in determining texture, microstructure evolution, and mechanical properties. J. Appl. Phys. 84, 6034 (1998).
https://doi.org/10.1063/1.368913
S. Daoud, N. Bioud, N. Lebga, L. Belagraa, R. Mezouar. Pressure effect on structural, elastic and electronic properties of (B3) BSb compoundIndian. J. Phys. 87, 355 (2013).
https://doi.org/10.1007/s12648-012-0231-y
M. G¨uler, E. G¨uler. Elastic, mechanical and phonon behavior of wurtzite cadmium sulfide under Pressure. Crystals. 7, 164 (2017).
https://doi.org/10.3390/cryst7060164
M. Benchehima, H. Abid, K. Benchikh. First-principles calculations of the structural and optoelectronic properties of BSb1−x Asx ternary alloys in zinc blende structure. Mater. Chem. Phys. 198, 214 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.06.009
S. Adachi. Properties of Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors (Wiley, 2005) [ISBN: 9780470090329].
https://doi.org/10.1002/0470090340
V.P. Vasil'ev, J.-C. Gachon.Thermodynamic properties of III-V compounds. Inorg. Mater. 42, 1176 (2006).
https://doi.org/10.1134/S0020168506110021
M.E. Fine, L.D. Brown, H.L. Marcus. Elastic constants versus melting temperature in metals. Scr. Mater. 18, 951 (1984).
https://doi.org/10.1016/0036-9748(84)90267-9
W. Feng, S. Cui, H. Hu, G. Zhang, Z. Lv, Z. Gong. Phase stability, electronic and elastic properties of ScN. Physica B 405, 2599 (2010).
https://doi.org/10.1016/j.physb.2010.03.042
E. Ghafari, E. Witkoske, Y. Liu, C. Zhang, X. Jiang, A. Bukowski, B. Kucukgok, M. Lundstrom, I.T. Ferguson, N. Lu. Waste Energy Harvesting Using III-Nitrides Materials, in III-Nitride Materials, Devices and NanoStructures. Edited by Z.C. Feng, (World Scientific, 2017).
https://doi.org/10.1142/9781786343192_0002
K.A. Gschneidner, jr. Inorganic Compounds. In: Scandium, Its Occurrence, Chemistry, Physics, Metallurgy, Biology, and Technology. Edited by C.T. Horovitz (Academic press, 1975) [ISBN: 978-0-12-355850-3].
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-355850-3.50013-7
N. Bouarissa. Pressure dependence of optoelectronic properties of GaN in the zinc-blende structure. Mater. Chem. Phys. 73, 51 (2002).
https://doi.org/10.1016/S0254-0584(01)00347-9
P. Bhardwaj, S. Singh. High pressure phase transition and elastic properties of covalent heavy rare-earth antimonides. J. Mol. Model. 17, 3057 (2011).
https://doi.org/10.1007/s00894-011-0980-0
D. Olego, M. Cardona. Pressure dependence of Raman phonons of Ge and 3C-SiC. Phys. Rev. B 25, 1151 (1982).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.25.1151
M. Aynyas, S.P. Sanyal, P.K. Jha. Structural phase transition and elastic properties of thorium pnictides at high pressure. Phys. Status Solidi B 229, 1459 (2002).
https://doi.org/10.1002/1521-3951(200202)229:3<1459::AID-PSSB1459>3.0.CO;2-J
P. Bhardwaj, S. Singh, N.K. Gaur. Structural, elastic and thermophysical properties of divalent metal oxides with NaCl structure. Mat. Res. Bull. 44, 1366 (2009).
https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2008.12.012
P. Bhardwaj, R. Bhardwaj, S. Singh. Computational study of ScN. Procedia Comput. Sci. 57, 57 (2015).
https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.07.365
R.E. Newnham. Properties of Materials: Anisotropy, Symmetry, Structure (Oxford University Press, 2005) [ISBN: 0-19-852075-1].
https://doi.org/10.1093/oso/9780198520757.003.0034
D. Holec, M. Friak, J. Neugebauer, P.H. Mayrhofer. Trends in the elastic response of binary early transition metal nitrides. Phys. Rev. B 85, 064101 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.064101
S. Daoud. Comment on the effect of pressure on the physical properties of Cu3N. Phys. Scr. 91, 057001 (2016). https://doi.org/10.1088/0031-8949/91/5/057001
M. G¨uler, E. G¨uler. Theoretical analysis of elastic, mechanical and phonon properties of wurtzite zinc sulfide under pressure. Crystals. 7, 161 (2017). https://doi.org/10.3390/cryst7060161
S. Daoud. Structural and piezoelectric properties of BSb under high pressure: a DFT study. J. Nano-Electron. Phys. 11 (5), 05004 (2019). https://doi.org/10.21272/jnep.11(5).05004
R. Mohammad, S. Katircioglu. A comparative study for structural and electronic properties of single-crystal ScN. Condens. Matter Phys. 14, 23701 (2011). https://doi.org/10.5488/CMP.14.23701
J. Liu, X-B. Li, H. Zhang, W-J. Yin, H-B. Zhang, P. Peng, L-M. Liu. Electronic structures and optical properties of two-dimensional ScN and YN nanosheets. J. Appl. Phys. 115, 093504 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4867515
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
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}
