Exploration, Prediction, and Experimental Verification of Structure and Optoelectronic Properties in I2-Eu-IV-X4 (I = Li, Cu, Ag; IV = Si, Ge, Sn; X = S, Se) Chalcogenide Semiconductors

带隙 混合功能 半导体 密度泛函理论 硫系化合物 电子结构 材料科学 电子能带结构 光伏 直接和间接带隙 凝聚态物理 计算化学 化学 光电子学 光伏系统 物理 生物 生态学
作者
Tianlin Wang,Timothy M. McWhorter,Garrett C. Wessler,Yi Yao,Ruyi Song,David B. Mitzi,Volker Blüm
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02218
摘要

Recently, there has been extensive research into photovoltaic, thermoelectric, and nonlinear optical applications of chalcogenide semiconductors within the large set of defect-resistant I2-II-IV-X4 (I = Li, Cu, Ag; II = Ba, Sr, Eu, Pb; IV = Si, Ge, Sn; X = S, Se) compounds. Five Eu-including compounds have previously been reported within this family, but a comparative study of possible structures and electronic properties of all 18 Eu-based combinations is still absent. Herein, we use hybrid density functional theory to study rare-earth-including I2-II-IV-X4 semiconductors with Eu on the II site, in order to further understand this family and test the geometric tolerance factor approach (reported in our previous work) as a tool for predicting potential stable structures. We investigate how the exchange mixing parameter of the HSE06 density functional, α, affects the energetic positions of electronic levels, especially of the localized f-electron orbitals near the band edges of the extended semiconductor structures, using literature photoemission and band gap data of EuS for comparison. Lowest-energy quaternary structure candidates, energy band structures, and densities of states are computationally predicted for all 18 materials. Based on its predicted photovoltaics-relevant band gap, the previously unknown compound Cu2EuSnSe4 was selected and synthesized. The experimental structure, lattice parameters, and band gap of Cu2EuSnSe4 are consistent with the computational predictions, confirming a 1.55 eV band gap.

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