Електронна структура та оптичні властивості гетероструктур на основі кристалів In4Se3 і In4Te3

Abstract

Представлено першопринципні розрахунки електронної структури та оптичних влас-тивостей гетероструктур на основі шаруватих орторомбічних кристалів In4Se3 і In4Te3. Одержано зонну структуру, просторовий розподіл електронної густини, дисперсійні залежності коефіцієнта поглинання для різних поляризацій світла для гетероструктур типу (In4Se3)m/(In4Te3)m та проведено їх порівняння з об’ємними кристалами In4Se3 і In4Te3. Показано, що з зростанням товщини гетероструктури має місце збільшення ширини забороненої зони та, відповідно, розширення спектральної області, що узго-джується з експериментальними даними. Це вказує на можливість утворення стабіль-них гетероструктур (In4Se3)m/(In4Te3)m, які можуть забезпечити значну фоточутливість в близькій і середній інфрачервоних областях.

Представлены первопринципные расчёты электронной структуры и оптических свойств гетероструктур на основании слоистых орторомбических кристаллов In4Se3 и In4Te3. Получено зонную структуру, пространственное распределение электронной плотности, дисперсионные зависимости коэффициента поглоще- ния для разных поляризаций света для гетероструктур типа (In4Se3)m/(In4Te3)m и проведено их сравнение с объёмными кристаллами In4Se3 и In4Te3. Показано, что с возрастанием толщины гетероструктуры имеет место увеличение ширины запрещённой зоны, и, соответственно, расширение спектральной области, что совпадает с экспериментальными данными. Это указывает на возможность об- разования стабильных гетероструктур (In4Se3)m/(In4Te3)m, которые могут обес- печить существенную фоточувствительность в близкой и средней инфракрас- ной областях.

Introduction. As it is known for today the photosensitive elements on the base of the homoand heterojunctions with using of the semiconductor compounds In4Se3, In4Te3, and their solid solutions have been obtained by Van der Waals epitaxy method and laser restructuring. These orthorhombic crystals ( 12 2h D space symmetry) are isostructural materials and lattice mismatching between constituent materials of heterostructure is equal to 2%. They have the similar band structures; the points of the extremes localizations for both the valence band and conduction band coincide. The In4Se3 crystal has the larger energy gap (Egexp~0.62-0.8eV) than the In4Te3 one (Egexp~0.46 eV). Thus, the considered crystals are governed by the favorable parameters for the construction of the heterostructures with the perfect interfaces. The formation of the In4Se3/In4Te3 heterostructure leads to widening of the spectral sensitivity range of the photoelements. It is established that these elements are sensitive within 1.0- 2.0 μm and they are successfully used as infrared detectors and filters. Purpose. To improve the spectral characteristics of the photosensitive devices it is of interest to study the electronic structure and optical properties of the different type heterostructures on the basis In4Se3 and In4Te3 materials. Methods. In this work, we present a first-principles study of the electronic structure and optical properties of the heterostructures on the basis of the In4Se3 and In4Te3 layered orthorhombic compounds with using of the method of density functional in LDA- approximation. Results. The band spectra, the spatial distribution of the electron density, the absorption coefficient for different polarizations along crystal axes were calculated. Conclusion. The evolution of the changes in both energy spectrum and optical functions of the heterostructures in comparison with the In4Se3 and In4Te3 crystals has been analyzed. It is shown that the increase of the forbidden energy gap and consequently the widening of the of the spectral sensitivity range with the increase of the heterostructure thickness take place. Our calculations suggest a good agreement with experimental investigations. It points on the possibility of the formation of the stable heterostructures of the (In4Se3)m/(In4Te3)m type which can ensured essential photosensitivity in the near and intermedium infrared region.