Электронное строение диоксида германия со структурой рутила по данным ab initio компьютерного моделирования
Аннотация
Работа посвящена исследованиям электронного строения тетрагональной кристаллической модификации диоксида германия. Электронная структура исследована теоретически в рамках метода линеаризованных присоединенных плоских волн с помощью программного пакета Wien2k.
Вычислены полная и локальные парциальные плотности электронных состояний. Проведено моделирование спектров ближней тонкой структуры края поглощения рентгеновского излучения для различных краев поглощения атомов германия и кислорода. В рамках приближения Z+1 рассчитаны Ge K-, Ge L3- и O K-края поглощения для тетрагональной модификации GeO2. Полученный для Ge K-края поглощения результат показывает высокое согласие с экспериментальными данными.
Результат расчета Ge L3-спектра представляется впервые и носит прогностический характер. С целью улучшения согласия с экспериментом результатов расчета K-края поглощения кислорода кроме использования метода Z+1 приближения были дополнительно проведены расчеты с использованием метода моделирования остовной дырки, в том числе частичной остовной дырки. Показано, что применение остовной дырки с зарядом 0.7 электрона улучшает согласие результатов расчета с экспериментом
Скачивания
Литература
Stapelbroek M., Evans B. D. Exciton structure in the u.v.-absorption edge of tetragonal GeO2. Solid State Communications. 1978;25: 959–962. https://doi.org/10.1016/0038-1098(78)90311-3
Nikisihina E. E., Lebedeva E. N., Piletsky A. V., Drobot D. V. Hydroxide and oxide of germanium(IV): synthesis and сhemical-physical properties. Fine Chemical Technologies. 2015;10(5):19–26. (In Russ.). Available at: https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/254?locale=ru_RU
Peng M., Li Y., Gao J., Zhang D., Jiang Z., Sun X. Electronic structure and photoluminescence origin of single-crystalline germanium oxide nanowires with green light emission. The Journal of Physical Chemistry C. 2011;115: 11420–11426. https://doi.org/10.1021/jp201884y
Armelao L., Heigl F., Kim P.-S. G., Rosenberg R. A., Regier T. Z., Sham T.-K. Visible emission from GeO2 nanowires: site-specific insights via X-ray excited optical luminescence. The Journal of Physical Chemistry C. 2012;116(26): 14163–14169. https://doi.org/10.1021/jp3040743
Samanta A., Jain M., Singh A. K. Ultra-sensitive pressure dependence of bandgap of rutile-GeO2 revealed by many body perturbation theory. The Journal of Chemical Physics. 2015;143: 064703. https://doi.org/10.1063/1.4928526
Dinsdale A. T., Akhmetova A., Khvan A. V., Aristova N. A сritical assessment of thermodynamic and phase diagram data for the Ge-O system. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2015;36: 254–261. https://doi.org/10.1007/s11669-015-0379-1
Torrey J. D., Vasko S. E., Kapetanovic A., Rolandi M. Scanning probe direct-write of germanium nanostructures. Advanced Materials. 2010;22: 4639–4642. https://doi.org/10.1002/adma.201001987
Wysokowski M., Motylenko M., Beyer J., … Ehrlich H. Extreme biomimetic approach for developing novel chitin-GeO2 nanocomposites with photoluminescent properties. Nano Research. 2015;8: 2288–2301. https://doi.org/10.1007/s12274-015-0739-5
Baur W. H. The rutile type and its derivatives. Crystallography Reviews. 2007;13(1): 65–113. http://dx.doi.org/10.1080/08893110701433435
Lim H. Y., Park S. O., Kim S. H., Jung G. Y., Kwak S. K. First-principles design of rutile oxide heterostructures for oxygen evolution reactions. Frontiers in Energy Research. 2021;9: 606313. https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.606313
Stohr J. NEXAFS spectroscopy. Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 1992. 404 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02853-7
Okuno M., Yin C. D., Morikawa H., Marumo F., Oyanagi H. A high resolution exafs and near edge study of GeO2 glass. Journal of Non-Crystalline Solids. 1986;87: 312–320. https://doi.org/10.1016/S0022-3093(86)80005-9
Itie J. P., Polian A., Calas G., Petiau J., Fontaine A. , Tolentino H. Pressure-induced coordination changes in crystalline and vitreous GeO2. Physical Review Letters. 1989;63: 398–401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.398
Majérus O., Cormier L., Itié J.-P., Galoisy L., Neuville D. R., Calas G. Pressure-induced Ge coordination change and polyamorphism in SiO2–GeO2 glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2004;345- 346: 34–38. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2004.07.039
Cabaret D., Mauri F., Henderson G. S. Oxygen K-edge XANES of germanates investigated using firstprinciples calculations. Physical Review B. 2007;75: 184205. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.184205
Wang H. M., Henderson G. S. Investigation of coordination number in silicate and germanate glasses using O K-edge X-ray absorption spectroscopy. Chemical Geology. 2004;213: 17–30. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2004.08.029
Ohtaka O., Yoshiasa A., Fukui H., … Nishihata Y. Structural changes of quartz-type crystalline and vitreous GeO2 under pressure. Journal of Synchrotron Radiation. 2001;8: 791–793. https://doi.org/10.1107/S0909049500018306
Manyakin M. D., Kurganskii S. I., Dubrovskii O. I., … Turishchev S. Yu. Electronic and atomic structure studies of tin oxide layers using X-ray absorption near edge structure spectroscopy data modelling. Materials Science in Semiconductor Processing. 2019;99: 28–33. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2019.04.006
Svane A., Antoncik E. Electronic structure of rutile SnO2, GeO2 and TeO2. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1987;48(2): 171–180. https://doi.org/10.1016/0022-3697(87)90081-3
Christie D. M., Chelikowsky J. R. Electronic and structural properties of germania polymorphs. Physical Review B. 2000;62: 14703. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.14703
Liu Q.-J., Liu Z.-T., Feng L.-P., Tian H. Firstprinciples study of structural, elastic, electronic and optical properties of rutile GeO2 and a-quartz GeO2. Solid State Sciences. 2010;12(10): 1748–1755. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2010.07.025
Sevik C., Bulutay C. Theoretical study of the insulating oxides and nitrides: SiO2, GeO2, Al2O3, Si3N4, and Ge3N4. Journal of Materials Science. 2007;42: 6555–6565. https://doi.org/10.1007/s10853-007-1526-9
Mengle K. A., Chae S., Kioupakis E. Quasiparticle band structure and optical properties of rutile GeO2, an ultra-wide-band-gap semiconductor. Journal of Applied Physics. 2019;126: 085703. https://doi.org/10.1063/1.5111318
Bolzan A. A., Fong C., Kennedy B. J., Howard C. J. Structural studies of rutile-type metal Ddioxides. Acta Crystallographica Section B Structural Science. 1997;B53: 373–380. https://doi.org/10.1107/S0108768197001468
Blaha P., Schwarz K., Tran F., Laskowski R., Madsen G. K. H., Marks L. D. WIEN2k: An APW+lo program for calculating the properties of solids. The Journal of Chemical Physics. 2020;152: 074101. https://doi.org/10.1063/1.5143061
Hebert C., Luitz J., Schattschneider P. Improvement of energy loss near edge structure calculation using Wien2k. Micron. 2003;34: 219–225. https://doi.org/10.1016/S0968-4328(03)00030-1
Duscher G., Buczkoa R., Pennycooka S. J., Pantelides S. T. Core-hole effects on energy-loss nearedge structure. Ultramicroscopy. 2001;86: 355–362. https://doi.org/10.1016/S0304-3991(00)00126-1
Luitz J., Maier M., Hebert C., Schattschneider P., Blaha P., Schwarz K., Jouffrey B. Partial core hole screening in the Cu L3 edge. The European Physical Journal B. 2001;21: 363–367. https://doi.org/10.1007/s100510170179
Kurganskii S. I., Manyakin M. D., Dubrovskii O. I., Chuvenkova O. A., Turishchev S. Yu., Domashevskaya E. P. Theoretical and experimental study of the electronic structure of tin dioxide. Physics of the Solid State. 2014;56: 1748–1753. https://doi.org/10.1134/S1063783414090170
Scanlon D. O., Kehoe A. B., Watson G. W., … Walsh A. Nature of the band gap and origin of the conductivity of PbO2 revealed by theory and experiment. Physical Review Letters. 2011;107: 246402. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.246402
Koller D., Tran F., Blaha P. Merits and limits of the modified Becke-Johnson exchange potential. Physical Review B. 2011;83: 195134. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.83.195134
Manyakin M. D., Kurganskii S. I., Dubrovskii O. I., Chuvenkova O. A., Domashevskaya E. P., Turishchev S. Yu. Ab initio calculation and synchrotron X-ray spectroscopy investigations of tin oxides near the Sn L3 absorption edges. Physics of the Solid State. 2016;58: 2379–2384. https://doi.org/10.1134/S1063783416120192
Copyright (c) 2023 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
