Моделирование структурых свойств и явления переноса в легированных многокомпонентных 2D полупроводниках

Обложка
  • Авторы: Асадов C.М.1,2,3, Мустафаева С.Н.4, Маммадов А.Н.1,5, Лукичев В.Ф.6
  • Учреждения:
    1. Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева, Министерства науки и образования Азербайджана
    2. Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия”, Министерства науки и образования Азербайджана
    3. Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности Министерства науки и образования Азербайджана
    4. Институт физики, Министерства науки и образования Азербайджана
    5. Азербайджанский Технический Университет, Министерства науки и образования Азербайджана
    6. Физико-технологический институт им. К. А. Валиева Российской академии наук
  • Выпуск: Том 53, № 6 (2024)
  • Страницы: 513-538
  • Раздел: МОДЕЛИРОВАНИЕ
  • URL: https://j-morphology.com/0544-1269/article/view/681472
  • DOI: https://doi.org/10.31857/S0544126924060058
  • ID: 681472

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В рамках теории функционала плотности (DFT) рассчитаны электронная структура, параметры решетки, магнитные и термодинамические свойства TlIn1–xCrxS2 с моноклинной системой. Изучено влияние степени легирования примесями хрома на свойства суперъячеек TlIn1–xCrxS2. Расчеты проводились методами ab initio в приближении локальной электронной плотности (LDA) и в приближении обобщенного градиента (GGA). В DFT расчетах учитывались спин-орбитальные и кулоновские взаимодействия. Изменение концентрации примеси хрома (x = 0.001–0.02) в TlInS2 не приводит к изменению равновесных параметров решетки и типа магнитного упорядочения в TlIn1–xCrxS2. Фазовые равновесия и устойчивость бинарных и тройных соединений исследованы термодинамическим методом и методом DFT GGA в тройной системе Tl–In–S. Построенный изотермический участок фазовой диаграммы при 298 К подтверждает незначительную область гомогенности, на основе промежуточных тройных соединений, системы Tl–In–S. Энергии образования соединений TlInS2 и TlIn1–xCrxS2 (x = 0.001–0.02) рассчитаны методом DFT и термодинамически согласуются друг с другом. Энергия образования соединения TlInS2, рассчитанная теоретическими методами, также согласуется с экспериментальными данными. Это свидетельствует об адекватности используемых расчетных моделей. С целью определения условий стабильного легирования проанализированы термодинамические свойства фаз системы Tl–In–S, установлены стабильные состояния многокомпонентных фаз, устойчивые равновесия между бинарными и тройными соединениями системы TlIn1-xCrxS2. Синтезированы поликристаллы и из них выращены монокристаллы TlIn1–xCrxS2 с различной концентрацией примеси хрома (x = 0, 0.001 и 0.02). Изучены кристаллическая структура, термодинамические, диэлектрические, электрические и дозиметрические характеристики монокристаллов TlIn1–xCrxS2. Проведено сравнение расчетных термодинамических и физических свойств фаз TlIn1–xCrxS2 с экспериментальными данными.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

C. М. Асадов

Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева, Министерства науки и образования Азербайджана; Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия”, Министерства науки и образования Азербайджана; Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности Министерства науки и образования Азербайджана

Автор, ответственный за переписку.
Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку; Баку; Баку

С. Н. Мустафаева

Институт физики, Министерства науки и образования Азербайджана

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку

А. Н. Маммадов

Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева, Министерства науки и образования Азербайджана; Азербайджанский Технический Университет, Министерства науки и образования Азербайджана

Email: mirasadov@gmail.com
Азербайджан, Баку; Баку

В. Ф. Лукичев

Физико-технологический институт им. К. А. Валиева Российской академии наук

Email: lukichev@ftian.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Мустафаева С. Н., Алиев В. А., Асадов М. М. Прыжковая проводимость на постоянном токе в монокристаллах TlGaS2 и TlInS2 // Физика твердого тела. 1998. Т. 40. № 4. С. 612 – 615.
  2. Мустафаева С. Н., Асадов М. М., Рамазанзаде В. А. Диэлектрические свойства и проводимость на переменном токе монокристаллов TlInS2 // Физика твердого тела. 1996. Т. 38. № 1. С. 14–18.
  3. Mustafaeva S. N., Asadov M. M. Effect of chemical composition of TlIn1-xErxS2 (0 ≤ x ≤ 0.01) crystals on their dielectric characteristics and the parameters of localized states // Physics of the Solid State. 2019. V. 61. No. 11. P. 1999–2004. https://doi.org/10.1134/S1063783419110246
  4. Mustafaeva S. N., Asadov M. M., Huseynova S. S., Hasanov N. Z., Lukichev V. F. Ab initio calculations of electronic properties, frequency dispersion of dielectric coefficients and the edge of the optical absorption of TlInS2:Sn single crystals // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 6. P. 617–627. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.06.53823.299
  5. Мустафаева С. Н., Асадов С. М., Гусейнова С. С. Ab initio расчет структуры и частотные зависимости диэлектрических свойств новых полупроводников TlIn1−xTmxS2 (x = 0.001 и 0.005) // Физика твердого тела. 2024. Т. 66. № 4. C. 542-549. https://doi.org/10.61011/FTT.2024.04.57789.8
  6. Asadov S. M., Mustafaeva S. N., Huseinova S. S., Lukichev V. F. Simulation of Electronic Properties, Enthalpy of Formation, and Dielectric Characteristics of Yb-Doped Single Crystal TlInS2 // Russian Journal of Physical Chemistry A. 2024. V. 98. No. 1. P. 1–8. https://doi.org/10.1134/S0036024424010023
  7. Gasanly N. M. Low temperature absorption edge and photoluminescence study in TlIn(Se1-xSx)2 layered mixed crystals // Physica B: Condensed Matter. 2018. V. 530. P. 82–85. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.11.042
  8. El-Nahass M. M., Ali H. A. M., Abu-Samaha F. S. H. Optical characteristics of Tl0.995Cu0.005InS2 single crystals // Physica B: Condensed Matter. 2013 V. 415. P. 57–61. https://doi.org/10.1016/j.physb.2013.01.036
  9. Delice S., Gasanly N. M. Defect characterization in neodymium doped thallium indium disulfide crystals by thermoluminescence measurements // Physica B: Condensed Matter. 2016. V. 499. P. 44–48. http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2016.07.006
  10. Seyidov M. Yu., Mikailzade F. A., Suleymanov R. A., Aliyeva V. B., Mammadov T. G., Sharifov G. M. Polarization switching in undoped and La-doped TlInS2 ferroelectric-semiconductors // Physica B: Condensed Matter. 2017 V. 526. P. 45–53. https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.07.003
  11. Таshмеtоv M. Yu., Khаllоkоv F. K., Ismatov N. B., Umarov S. Kh. Influence of accelerated electrons on the structure, crystallite size and surface of a TlIn1-xCrxS2 crystal with x = 0.01 // Uzbek Journal of Physics. 2023. V. 23. No. 4. P. 51–56. https//doi.org/10.52304/.v23i4.289
  12. Khallokov F. К., Imanova G. T., Umarov S. Kh., Tashmetov M. Yu., Gasanov N. Z., Esanov Z. U., Bekpulatov I. R. Influence of electron irradiation on the band gap and microhardness of TlInS2, TlInSSe and TlIn0.99Cr0.01S2 single crystals // Materials Research Innovations. 2004. P. 1–5. https://doi.org/10.1080/14328917.2024.2363583
  13. Okumus E., Tokdemir Ö.S, Chumakov Y. M. Identification of Mn dopant in the structure of TlInS2 layered semiconductor // Materials Research Express. 2019. V. 6. No. 5. P. 056110. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab063e
  14. Mikailov F. A., Rameev B. Z., Kazan S., Yıldız F., Aktaş B. Electron paramagnetic resonance investigation of Fe3+ doped TlInS2 single crystal // Solid State Communications. 2005. V. 35. No. 1-2. P. 114–118. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2005.03.043
  15. Huang Z., Peng X., Yang H., He C., Xue L., Hao G., Zhang C., Liu W., Qi X., Zhong J. The structural, electronic and magnetic properties of bi-layered MoS2 with transition-metals doped in the interlayer // RSC Advances. 2013. V. 3. No. 31. P. 12939–12943. https://doi.org/10.1039/C3RA41490F
  16. Ali R., Hanif M., Shah S.A.B. Abbas S. Z., Karim M. R. A., Arshad M., Ahmad S. H. A. Effect of chromium-doping on structure and opto-electronics properties of nanostructured indium tin oxide thin films // Applied Physics A. 2022. V. 128. No. 508. P. 1–6 https://doi.org/10.1007/s00339-022-05639-1
  17. Asadov M. M., Mustafaeva S. N., Guseinova S. S., Lukichev V. F. Ab Initio calculations of the electronic properties and the transport phenomena in graphene materials // Physics of the Solid State. 2020. V. 62. No 11. P. 2224–2231. https://doi.org/10.1134/S1063783420110037
  18. Asadov M. M., Mustafaeva S. N., Guseinova S. S., Lukichev V. F., Tagiev D. B. Ab Initio modeling of the effect of the position and properties of ordered vacancies on the magnetic state of a graphene monolayer // Physics of the Solid State. 2021. V. 63. No. 5. P. 797–806. https://doi.org/10.1134/S1063783421050036.
  19. Asadov M. M., Mustafaeva S. N., Guseinova S. S., Lukichev V. F. Simulation of supercell defect structure and transfer phenomena in TlInTe2 // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. No. 1. P. 21–31. https://doi.org/10.1134/S1063739722700196
  20. Asadov M. M., Mammadova S. O., Guseinova S. S., Mustafaeva S. N., Lukichev V. F. Simulation of the adsorption and diffusion of lithium atoms on defective graphene for a Li-ion battery // Russian Microelectronics. 2023. V. 52. No. 3. P. 167–185. https://doi.org/10.1134/S1063739723700336
  21. Asadov M. M., Mammadova S. O., Mustafaeva S. N., Huseynova S. S., Lukichev V. F. Modeling of the electronic properties of M-doped supercells Li4Ti5O12–M (М = Zr, Nb) with a monoclinic structure for lithium-lon batteries // Russian Microelectronics. 2024. V. 53. No. 1. P. 1–13. https://doi.org/10.1134/S1063739723600127
  22. Asadov M. M., Huseinova S. S., Mustafaeva S. N., Mammadova S. O., Lukichev V. F. Simulation of the physical-chemical and electronic properties of lithium-containing 4H–SiC and binary phases of the Si–C–Li system // Russian Microelectronics. 2024. V. 53. No. 1. P. 14–34. https://doi.org/10.1134/S1063739723600097
  23. Asadov S. M., Mustafaeva S. N., Guseinov D. T. X-ray dosimetric characteristics of AgGaS2 single crystals grown by chemical vapor transport // Inorganic Materials. 2017. V. 53. No. 5. P. 457–461. https://doi.org/10.1134/S0020168517050028
  24. Asadov, S. M., Mustafaeva, S. N., Guseinov, D. T., Kelbaliev K. I. Dependence of the X-ray dosimetric parameters of AgGaS2xSe2–2x single crystals on their composition // Technical Physics. 2018. V. 63. No. 4. P. 546–550. https://doi.org/10.1134/S1063784218040047
  25. Asadov S. M., Mustafaeva S. N., Guseinov D. T., Kelbaliev K. I., Lukichev V. F. Dependence of the X-ray Sensitivity of AgGaS2 Single Crystals on Faces (001) and (100) on Dose and Hardness of Radiation // Russian Microelectronics. 2022. V. 51. No. 3. P. 117–125. https://doi.org/10.1134/S1063739722030027
  26. Vuckovic S., Song S., Kozlowski J., Sim E., Burke K. Density functional analysis: The theory of density-corrected DFT // Journal of Chemical Theory and Computation. 2019. V. 15. P. 1–30. https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00826.
  27. Holzer C., Franzke Y. J., Pausch A. Current density functional framework for spin–orbit coupling // The Journal of Chemical Physics. 2022. V. 157. P. 204102-16. https://doi.org/10.1063/5.0122394
  28. Asadov M. M., Mustafaeva S. N., Guseinova S. S., Lukichev V. F. Ab initio calculations of electronic properties and charge transfer in Zn1-xCuxO with wurtzite structure // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 5. P. 528–539. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.05.54011.270
  29. Babuka T., Gomonnaic O. O., Glukhova K. E., Kharkhalisa L. Yu., Sznajdere M., Zahn D.R.T. Electronic and Optical Properties of the TlInS2 Crystal: Theoretical and Experimental Studies // Acta Physica Polonica A. 2019. V. 136. No. 4. Р. 640-644. https://doi.org/ 10.12693/APhysPolA.136.640
  30. Asadov M. M., Mammadova S. O., Huseinova S. S., Mustafaeva S. N., Lukichev V. F. Ab initio calculation of the band structure and properties of modifications of the Ti3Sb compound doped with lithium // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. No. 11. Р. 1594-1609. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.11.54179.395
  31. Alekperov O. Z., Ibragimov G. B., Axundov I. A Growth of orthorhombic and tetragonal modifications of TlInS2 from its monoclinic phase // Physica Status Solidi C. 2009. Vol. 6. No. 5. P. 981–984. https://doi.org/10.1002/pssc.200881191
  32. Mills K.C. Thermodynamic Data for Sulphides, Selenides and Tellurides, NPL, Teddington. John Wiley & Sons, Incorporated, 1974. ISBN 9780470606551. 845 p.
  33. Vasiliev V. P., Minaev V. S. Tl-S phase diagram, structure and thermodynamic Properties // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. 2008. V. 10. No. 6. P. 1299–1305.
  34. Vasiliev V. P. Correlations between the Thermodynamic Properties of II–VI and III–VI Phases // Inorganic Materials. 2007. V. 43. No. 2. P. 115–124. https://doi.org/10.1134/S0020168507020045
  35. http://www.chem.msu.ru/cgi-bin/tkv.pl?show=welcome.html/welcome.html
  36. Kubaschewski O., Alcock C. B., Spencer P. J. Materials Thermochemistry. Pergamon Press, 1993. 363 p. ISBN 9780080418896
  37. Okamoto, H. In-S (Indium-Sulfur). Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2013. V. 34. P. 149–150. https://doi.org/10.1007/s11669-012-0152-7
  38. Waldner P., Sitte W. Thermodynamic modeling of the Cr–S system // International Journal of Materials Research. 2011. V. 102. No. 10. P. 1216–1225. 10.3139/146.110587' target='_blank'>https://doi: 10.3139/146.110587
  39. https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/In-Tl.php
  40. Бабанлы М. Б., Юсибов Ю. А. Электрохимические методы в термодинамике неорганических веществ. Баку, Элм, 2011. с. 145.
  41. Asadov M. M., Kuli-zade E. S. Phase equilibria, thermodynamic analysis and electrical properties of the Li2O–Y2O3–B2O3 system // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 842. P. 155632–32. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155632
  42. Mott N. F., Davis E. A. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. OUP, Oxford, 2012. 590 p. ISBN: 9780199645336
  43. Pollak M. On the frequency dependence of conductivity in amorphous solids // Philosophical Magazine. 1971. V. 23. No. 183. P. 519–542. 10.1080/14786437108216402' target='_blank'>https://doi: 10.1080/14786437108216402
  44. Arshak K., Korostynska O. (Eds.) Advanced Materials and Techniques for Radiation Dosimetry. Boston. London. Artech House, Inc. 2006. 217 p. ISBN: 978-1-58053-340-9.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Первая зона Бриллюэна кристаллической решетки базоцентрированной моноклинной системы.

Скачать (105KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограмма TlIn0.99Cr0.01S2.

Скачать (228KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Атомная структура элементарной ячейки кристаллов TlIn1-xCrxS2 с моноклинной системой (пр. гр. C2/c): а) x = 0, б) x = 0.01.

Скачать (118KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Температурная зависимость оптической ширины запрещенной зоны монокристалла TlInS2 с моноклинной структурой.

Скачать (71KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зонная структура суперъячейки p-типа полупроводника TlIn1-xCrxS2 (x = 0.005) с прямой шириной запрещенной зоны.

Скачать (138KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Схема энергетического спектра полупроводников с валентной зоной и зоной проводимости.

Скачать (146KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Схема влияния легирования хромом на зонную структуру полупроводника. Cr+3 вводит донорные уровни и перемещает EF в сторону зоны проводимости (легирование n-типа), тогда как акцепторная примесь Cr+6 перемещает EF в сторону валентной зоны (легирование p-типа).

Скачать (90KB)
Метаданные
9. Рис. 8. PDOS электронных энергетических подуровней (s-, p-, d-орбиталей) примеси Cr в двухслойном MoS2:Cr. Уровень Ферми равен нулю.

Скачать (125KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Схема суперобменного взаимодействия между орбиталями примеси Cr-3d через орбиталь S-3p в TlIn1–хСrхS2.

Скачать (102KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Изотермический разрез фазовой диаграммы системы Tl–In–S при 298 К.

Скачать (146KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Частотные зависимости действительной составляющей комплексной диэлектрической проницаемости монокристаллов TlIn1–хСrхS2: x = 0.005 (1) и 0.001 (2); T = 298 K.

Скачать (64KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tgδ в монокристаллах TlIn1–хСrхS2: x = 0.005 (1) и 0.01 (2); T = 298 K.

Скачать (89KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Частотная зависимость мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ε˝ образцов TlIn1–хСrхS2: x = 0.005 (1) и 0.01 (2); T = 298 K.

Скачать (64KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Частотная зависимость ac-проводимости монокристаллов TlIn1–хСrхS2: x = 0.005 (1), 0.01 (2) и 0 (3); T = 298 K.

Скачать (75KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Рассчитанные нами зависимости параметров локализованных состояний NF, R, τ и ∆E от состава монокристаллов TlIn1–хСrхS2.

Скачать (85KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Зависимости коэффициента рентгеночувствительности от мощности дозы облучения для монокристаллов TlInS2 (а) и TlIn0.995Сr0.005S2 (б) при различных ускоряющих напряжениях на трубке Va, кэВ: 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 (6). T = 298 K.

Скачать (159KB)
Метаданные
18. Рис. 17. Рентгенамперные характеристики монокристаллов TlInS2 (а) и TlIn0.995Сr0.005S2 (б) при различных ускоряющих напряжениях на трубке Va, кэВ: 25 (1), 30 (2), 35 (3), 40 (4), 45 (5), 50 (6). T = 298 K.

Скачать (160KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024