Pressure-Induced Polyhedral Reorganization Causes Indirect-to-Direct Band-Gap Transition in Spinel Structure

材料科学 尖晶石 八面体 电子结构 凝聚态物理 原子轨道 结晶学 带隙 四面体 纳米技术 晶体结构 物理 化学 电子 冶金 量子力学
作者
Pengfei Shen,Donghao Xu,Zhiguo Xia,Mingguang Yao
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:135 (10)
标识
DOI:10.1103/v4x6-hksk
摘要

Spinel oxides (${\mathrm{AB}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$) are promising optoelectronic materials due to their structural stability and tunable electronic properties. However, conventional strategies like doping, element substitution, and thermal treatment have achieved limited success in optimizing their performance. Here, we demonstrate that pressure-induced polyhedral reorganization triggers an indirect-to-direct band-gap transition driven by the enhanced hybridization of $\mathrm{O}\text{\ensuremath{-}}{p}_{y}$ orbitals in ${\mathrm{AB}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$ systems. The pressure-induced polyhedral reorganization also causes a connectivity shift from corner-sharing tetrahedra (${\mathrm{GaO}}_{4}$) to edge-sharing octahedra (${\mathrm{GaO}}_{6}$) in single-phase ${\mathrm{CaGa}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}:{\mathrm{Bi}}^{3+}$ crystals, which tailors the electronic redistribution from isolated to quasi-1D ladderlike configurations. The optimized electronic structure leads to a concurrent enhancement in the photoresponsivity by $\ensuremath{\sim}200%$ and the emergence of an exotic white-light emission, which can be quenched to ambient conditions. These findings reveal how ${\mathrm{GaO}}_{\mathrm{x}}$ polyhedral reorganization directly governs electronic evolution in ${\mathrm{CaGa}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}:{\mathrm{Bi}}^{3+}$, providing a new pathway to tailor electronic structures and optoelectronic properties through pressure-driven design that bypasses the limitations of traditional approaches.
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