Role of intermediate 4f states in tuning the band structure of high entropy oxides

作者
Abhishek Sarkar,Benedikt Eggert,Leonardo Velasco,Xiaoke Mu,Johanna Lill,Katharina J. Ollefs,Subramshu S. Bhattacharya,Heiko Wende,Robert Kruk,Richard A. Brand,Horst Hahn
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:8 (5) 被引量:106
标识
DOI:10.1063/5.0007944
摘要

High entropy oxides (HEOs) are single-phase solid solutions consisting of 5 or more cations in approximately equiatomic proportions. In this study, we show the reversible control of optical properties in a rare-earth (RE) based HEO-(Ce0.2La0.2Pr0.2Sm0.2Y0.2)O2−δ and subsequently utilize a combination of spectroscopic techniques to derive the features of the electronic band structure underpinning the observed optical phenomena. Heat treatment of the HEO under a vacuum atmosphere followed by reheat treatment in air results in a reversible change in the bandgap energy, from 1.9 eV to 2.5 eV. The finding is consistent with the reversible changes in the oxidation state and related f-orbital occupancy of Pr. However, no pertinent changes in the phase composition or crystal structure are observed upon the vacuum heat treatment. Furthermore, annealing of this HEO under a H2 atmosphere, followed by reheat treatment in air, results in even larger but still a reversible change in the bandgap energy from 1.9 eV to 3.2 eV. This is accompanied by a disorder–order type crystal structure transition and changes in the O 2p–RE 5d hybridization evidenced from x-ray absorption near-edge spectra (XANES). The O K and RE M4,5/L3 XANES indicate that the presence of Ce and Pr (in 3+/4+ states) leads to the formation of intermediate 4f energy levels between the O 2p and the RE 5d gap in HEO. It is concluded that heat treatment under reducing/oxidizing atmospheres affects these intermediate levels, thus offering the possibility to tune the bandgap energy in HEOs.

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