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Semiconducting character of LaN: Magnitude of the bandgap and origin of the electrical conductivity

带隙 材料科学 电子结构 半导体 直接和间接带隙 电子能带结构 密度泛函理论 凝聚态物理 电导率 电阻率和电导率 宽禁带半导体 氮化物 光电子学 化学物理 化学 计算化学 纳米技术 物理 物理化学 量子力学 图层(电子)
作者
Zihao Deng,Emmanouil Kioupakis
出处
期刊:AIP Advances [American Institute of Physics]
卷期号:11 (6) 被引量:8
标识
DOI:10.1063/5.0055515
摘要

Lanthanum nitride (LaN) has attracted research interest in catalysis due to its ability to activate the triple bonds of N$_2$ molecules, enabling efficient and cost-effective synthesis of ammonia from N$_2$ gas. While exciting progress has been made to use LaN in functional applications, the electronic character of LaN (metallic, semi-metallic, or semiconducting) and magnitude of its band gap have so far not been conclusively determined. Here, we investigate the electronic properties of LaN with hybrid density functional theory calculations. In contrast to previous claims that LaN is semi-metallic, our calculations show that LaN is a direct-band-gap semiconductor with a band-gap value of 0.62 eV at the X point of the Brillouin zone. The dispersive character of the bands near the band edges leads to light electron and hole effective masses, making LaN promising for electronic and optoelectronic applications. Our calculations also reveal that nitrogen vacancies and substitutional oxygen atoms are two unintentional shallow donors with low formation energies that can explain the origin of the previously reported electrical conductivity. Our calculations clarify the semiconducting nature of LaN and reveal candidate unintentional point defects that are likely responsible for its measured electrical conductivity.

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