ویژگی‌های نوری کالکوپیریت‌های ناقص کادمیوم و جیوه در چارچوب نظریة اختلال بس‌ذره‌ای: جستجوی اثرات اکسیتونی

نجاتی پور, ریحان; مالمیر, مریم

doi:10.22055/jrmbs.2025.20194

ویژگی‌های نوری کالکوپیریت‌های ناقص کادمیوم و جیوه در چارچوب نظریة اختلال بس‌ذره‌ای: جستجوی اثرات اکسیتونی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

ریحان نجاتی پور

مریم مالمیر

گروه فیزیک، دانشکده علوم‌پایه، دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

10.22055/jrmbs.2025.20194

چکیده

در این مطالعه، با بهره‌گیری از حل معادلة حرکت تابع گرین دوذره‌ای، معادلة بته-سالپیتر (BSE)، و با استفاده از مجموعه پایه‌های موج‌تخت بهبودیافته (APW) و روش پتانسیل کامل، ویژگی‌های الکترونی و اپتیکی ترکیبات HgAl₂S₄، HgGa₂S₄ و CdAl₂S₄ مطالعه و با طیف‌های متناظر حاصل از تقریب فاز کاتوره‌ای (RPA) شد. هر سه ترکیب نیم‌رساناهایی با گاف نواری مستقیم در مرکز ناحیة اول بریلوئن به‌ترتیب با مقادیر 412_/3، 644_/2، و eV 79_/3 می‌باشند. پاسخ اپتیکی این مواد برای قطبش‌های موازی و عمود بر جهت تابش نور متفاوت، و بنابراین مواد مورد مطالعه ناهمسانگرد هستند. در تابع دی‌الکتریک هر سه ترکیب، حضور بیشینه‌های اکسیتونی قوی در ناحیة درون گاف الکترونی و ورای آن منجر به‌اصلاح پاسخ تک‌ذرة مواد می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

کالکوپیریت‌های ناقص

خواص نوری

معادله بته-سالپیتر (BSE)

اثرات اکسیتونی

موضوعات

فیزیک محاسباتی

عنوان مقاله English

Optical properties of cadmium and mercury defective chalcopyrites by many-body perturbation theory: Investigation of excitonic effects

نویسندگان English

Reihan Nejatipour

Maryam Malmir

Department of Physics, Faculty of Sciences, Lorestan University, Khoramabad, Iran

چکیده English

In this study, the electronic and optical properties of the compounds HgAl₂S₄, HgGa₂S₄, and CdAl₂S₄ were investigated by solving the equation of motion of the two-particle Green’s function and the Bethe-Salpeter equation (BSE). This was achieved using the augmented plane wave (APW) basis sets and the full potential method, and the results were compared with those obtained by the random phase approximation (RPA). All three compounds are semiconductors with direct band gaps at the center of the Brillouin zone, with GW values of 3.412, 2.644, and 3.79 eV, respectively. The optical responses of these materials differ for polarizations parallel and perpendicular to the direction of light radiation, and consequently, the materials are anisotropic. In the dielectric functions of the three compounds, the presence of strong excitonic features in the band gap region and beyond results in the modification of the one-particle responses of the materials.

کلیدواژه‌ها English

Defective chalcopyrites

Optical properties

Bethe-Salpeter equation (BSE)

Excitonic effects

[1] H. Yanagi, H. Kawazoe, A. Kudo, M. Yasukawa, H. Hosono, Chemical design and thin film preparation of p-type conductive transparent oxides, J. Electroceram. 4 (2000) 407-414. https://doi.org/10.1023/A:1009959920435

[2] J.L. Shay, J.H. Wernick, Ternary Chalcopyrite Semiconductors: 1975. Growth, Electronic Properties, and Applications, Oxford, New York: Pergamon Press, 1^st ed., https://doi.org/10.1016/C2013-0-02602-3

[3] R. Klenk, J. Klaer, R. Scheer, M.Ch. Lux-Steiner, I. Luck, N. Meyer, U. Ȑuhle, Solar cells based on CuInS₂-an overview, Thin Solid Films 480/481 (2005) 509-514, https://doi.org/10.1016/j.tsf.2004.11.042

[4] V.P. Petrov, G. Marchev, A. Tyazhev, M. Beutler, V. Panyutin, M.K. Starikova, A. Esteban-Martin, V.V. Badikov, G. Shevyrdyaeva, D.V. Badikov, M.l Reza, S. Sheina, A. Fintisova, Optical damage studies of mercury thiogallate nonlinear crystals for use in 1-μm pumped optical parametric oscillators, Opt. Eng. 52 (2013) 117102, https://doi.org/10.1117/1.OE.52.11.117102

[5] D.S. Chemla, P.J. Kupecek, D.S. Robertson, R.C. Smith, Silver thiogallate, a new material with potential for infrared devices, Optic Commun. 3 (1971) 29-31, https://doi.org/10.1016/0030-4018(71)90207-0

[6] N.N. Syrbu, I.G. Stamov, V.I. Parvan, V.V. Zalamai, I.M. Tiginyanu, Excitonic spectra and band structure of CdGa₂Se₄ birefractive crystals, Physica B 429 (2013) 106–114, http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2013.08.015

[7] N.N. Syrbu, V.V. Zalamai, A.V. Tiron, I.M. Tiginyanu, Excitonic spectra and energy band structure of ZnAl2Se4 crystals, Optical Materials 49 (2015) 319–324, http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2015.09.035

[8] V.V. Badikov, I.N. Matveev, S.M. Pshenichnikov, O.V. Rychik, N.K. Trotsenko, N.D. Ustinov, S.I. Shcherbakov, Growth and nonlinear properties of HgGa₂S₄, Quant. Elect. 7 (1980) 2235-2237, https://doi.org/10.1070/QE1980v010n10ABEH010581

[9] A.N. Novosjolova, V.B. Lazarev, 1979. Physicochemical properties of semiconducting materials, ed. (Nauka, Moscow).

[10] R. Nejatipour, M. Dadsetani, Electron energy loss spectra of sulfur in HgX2S4 (X = Al, Ga, In): A comparative theoretical study, J. Alloys Compd. 952 (2022) 170025, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.170075

[11] A.A. Lavrentyev, B.V. Gabrelian, V.A. Dubeiko, I.Ya. Nikiforov, J.J. Rehr, Experimental and theoretical X-ray K-spectra of sulfur of zincblende-based compounds AgGaS₂–CdGa₂S₄–InPS₄, J. Phys. Chem. Solids 63 (2002) 227-231, https://doi.org/10.1016/S0022-3697(01)00134-2

[12] A.N. Georgobiani, V.B. Gutan, I.M. Tiginyanu, V.V. Ursaki, T.F. Filina, Excitonic luminescence in CdGa₂S₄ single crystals, Phys. Stat. Sol. b 134 (1986) K47-K49, https://doi.org/10.1002/pssb.2221340160

[13] I.G. Stamov, N.N. Syrbu, V.I. Parvan, V.V. Zalamai, I.M. Tiginyanu, The band structure of birefractive CdGa₂S₄ crystals, Opt. Commun. 309 (2013) 205-211, http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2013.07.032

[14] H.H. Hegazy, M. Manzoor, M. Waqas Iqbal, M. Zanib, A. Dahshan, I. Kebaili, Systemically study of optoelectronic and transport properties of chalcopyrite HgAl₂X₄ (X= S, Se) compounds for solar cell device applications, J. Mater. Res. Tech., 19 (2022) 1690-1698, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.05.115.

[15] A. L. Fetter, H. D. Walecka, 1971. Quantum Theory of Many-Particle Systems, McGraw-Hill Book Co., New York.

[16] G. Onida, L. Reining, A. Rubio, Electronic excitations: density-functional versus many-body Green’s-function approaches, Rev. Mod. Phys. 74 (2002) 601, https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.601

[17] P. Blaha, K. Schwarz, F. Tran, R. Lascowski, G.K.H. Madsen, L.D. Marks, WIEN2k: An APW+lo program for calculating the properties of solids, J. Chem. Phys. 152, (2020) 074101, https://doi.org/10.1063/1.5143061

[18] A. Gulans, S. Kontur, C. Meisenbichler, D. Nabok, P. Pavone, S. Rigamonti, S. Sagmeister, U. Werner, C. Draxl, exciting: a full-potential all-electron package implementing density-functional theory and many-body perturbation theory, J. Phys: Condens. Matter, 26 (2014) 363202. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/36/363202

[19] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett., 77 (1996) 18, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.1396

[20] P. Puschnig, C. Ambrosch-Draxl, Optical absorption spectra of semiconductors and insulators including electron-hole correlations: An ab initio study within the LAPW method, Phys. Rev. B 66 (2002) 165105, https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.165105

[21] N.N. Syrbu, V.E. Tezlevan, Energetic band structure and optical spectra of CdGa₂Se₄, CdGa₂S₄ and CdAl₂S₄ crystals, Physica B 210 (1995) 43-48, https://doi.org/10.1016/0921-4526(94)00918-L

[22] Ju.O. Derid, S.I. Radautsan, I.M. Tiginyanu, 1990. Mnogokomponentnie halkogenidi A^IIB₂^IIIC₄^VI, Kisinev, Stinta 4. (in Russian).