Вплив катіонного заміщення на електронно-енергетичну структуру і оптичні властивості сполук типу Cu2BIVS3 (BIV = Si, Ge, Sn)

Abstract

Першопринципним методом теорії функціонала густини (DFT) в наближенні локальної електронної густини з врахуванням сильних електронних кореляцій в d-оболонці іона міді (метод LDA+U) проведені розрахунки зонної структури, повної і парціальних густин електронних станів та просторового розподілу густини еле- ктронного заряду, а також оптичних функцій: діелектричної проникності, показника заломлення, коефіцієнтів відбивання і поглинання моноклінних кристалів типу Cu2BIVS3. Згідно проведених розрахунків моноклінні кристали Cu2BIVS3 є прямозонними напівпровідниками, ширина забороненої зони яких монотонно зменшується зі збільшенням атомного номера катіона BIV (Si→Ge→Sn; 2.46 еВ → 1.5 еВ →0.93 еВ).

Первопринципным методом теории функционала плотности (DFT) в приближении локальной электронной плотности с учетом сильных электронных корреляций в d-оболочке иона меди (метод LDA+U) проведены расчеты зонной структуры, полной и парциальных плотностей электронных состояний и пространственного распределения плотности электронного заряда, а также оптических функций: диэлектрической проницаемости, показателя преломления, коэффициентов отражения и поглощения моноклинных кристаллов типа Cu2BIVS3. Согласно проведенных расчетов моноклинные кристаллы Cu2BIVS3 является прямозонными полупроводниками, ширина запрещенной зоны которых монотонно уменьшается с увеличением атомного номера катиона BIV(Si → Ge→Sn; 2.46 еВ→1.5 еВ→0.93 еВ). Ключевые слова: электронная структура, плотность состояний, распределение электронной плотности, оптические функции

Purpose. Ternary Cu2BIVS3 (BIV = Si, Ge, Sn) compounds are promising materials that can be used as absorbing layers of solar cells. Methods. This paper presents the results of calculations of the band structure, the state density distribution of the electron density and such optical functions as real ε1 and imaginary ε2 part of the dielectric permittivity, reflectivity R, absorption coefficient α and refractive index n of Cu2BIVS3 compounds. Results. According to the results of the band structure calculations in the LDA+U approximation, the monoclinic phases Cu2SiS3, Cu2GeS3 and Cu2SnS3 are direct-gap semiconductors with the calculated band gaps of 2.46 eV, 1.5 eV and 0.93 eV, respectively, which agrees well with the experimental values obtained from the analysis of the intrinsic absorption edge. Valence band with for monoclinic phases Cu2BIVS3 consists of four subbands separated by forbidding intervals. The analysis of partial contributions into the density of electronic states allowed to identify the genetic origin of different subbands of the valence band, and also to obtain the formation of a chemical bond in the crystals under investigation. For optimized structures of Cu2SiS3, Cu2GeS3 and Cu2SnS3,the spectra of optical functions in the wide range energy of fundamental absorption were calculated for the first time using a unified technique. The spectra of the optical functions of these crystals are characterized by significant polarization anisotropy and are qualitatively similar to each other. The electron density was calculated and maps of the distribution of charge of valency electrons in the planes along the Cu-S and BIV–S bond lines in various structural units of Cu2BIVS3 crystals were constructed, which made it possible to describe the features of the formation of a chemical bond between atoms forming the corresponding crystal. Conclusions. : As a result of quantum-chemical calculations, it was established that the structure of the energy bands of monoclinic Cu2BIVS3 crystals is qualitatively similar to each other, contain the same number of filled bands (44) and have a characteristic topology in which traced four allowed energy region. According to the calculations in the LDA+U approximation, all three crystals are direct-gap semiconductors, the bandgap of which decreases monotonically with increasing atomic number of the cation BIV (Si→Ge→Sn; 2.46 еV→1.5 еV→0.93 еV). It has been established that the monoclinic phases Cu2BIVS3 are semiconductors with a complex system of covalent-ionic interatomic bonds. Keywords: electronic band structure, density of states, spatial distribution of valence charge, optical functions.