Влияние давления на электронные и оптические свойства силицида и германида магния

  • V. L. Shaposhnikov Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Республика Беларусь
  • A. V. Krivosheeva Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Республика Беларусь
  • V. E. Borisenko Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П. Бровки, 6, 220013, г. Минск, Республика Беларусь

Аннотация

Представлены результаты детальных теоретических исследований электронных и оптических свойств силицида магния Mg2Si и германида магния Mg2Ge, подвергнутых воздействию гидростатического и одноосного давления, выполненных с помощью метода линеаризованных присоединенных плоских волн. Определено, что прямой переход в G-точке линейно возрастает с увеличением давления, в то время как непрямой переход уменьшается до нуля при гидростатическом давлении 10 ГПа. Уменьшение статической диэлектрической проницаемости с повышением давления отражает изменения в прямом переходе. При одноосной деформации как сжатие, так и растяжение решетки значительно уменьшают непрямой переход. Зависимости изменения прямого перехода при двух типах деформации имеют линейный характер, но разный угол наклона.

Биографии авторов

##submission.authorWithAffiliation##

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники факультета радиотехники и электроники

##submission.authorWithAffiliation##

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник кафедры микро- и наноэлектроники факультета радиотехники и электроники

##submission.authorWithAffiliation##

доктор физико-математических наук, профессор; заведующий кафедрой микро- и нано электроники факультета радиотехники и электроники

Литература

1. Galkin N. G., Galkin K. N., Goroshko D. L., et al. Non-doped and doped Mg stannide films on Si(111) substrates: formation, optical, and electrical properties. Jpn. J. Appl. Phys. 2015. Vol. 54. 07JC06. DOI: 10.7567/JJAP.54.07JC06.
2. Chuang L., Savvides N., Tan T. T., et al. Thermoelectric properties of Ag-doped Mg 2 Ge thin films prepared by magnetron sputtering. J. Electron. Mater. 2010. Vol. 39, issue 9. P. 1971–1974. DOI: 10.1007/s11664-009-1052-4.
3. Kajikawa T., Shida K., Shiraishi K., et al. Thermoelectric figure of merit of impurity doped and hot-pressed magnesium silicide elements. XVII Int. Conf. on Thermoelectrics : proc. ICTʼ98 (Nagoya, 24 –28 May 1998). Nagoya, 1998. P. 362–369.
4. LaBotz R. J., Mason D. R., O’Kane D. F. The thermoelectric properties of mixed crystals of Mg 2 Ge x Si 1 – x . J. Electrochem. Soc. 1963. Vol. 110, No. 2. P. 127–134.
5. Noda Y., Kon H., Furukawa Y., et al. Preparation and thermoelectric properties of Mg 2 Si 1 – x Ge x (x = 0.0 ~ 0.4) solid solution semiconductors. Mater. Trans. 1992. Vol. 33, No. 9. P. 845–850.
6. Kaibe H. T., Noda Y., Isoda Y., et al. Temperature dependence of thermal conductivity for Mg x Si 1 – x Ge x solid solution. XVI Int. Conf. on Thermoelectrics : proceedings (Piscataway, 26 –29 August 1997). Piscataway, 1997. P. 279–282.
7. Tani J.-I., Kido H. Lattice dynamics of Mg 2 Si and Mg 2 Ge compounds from first-principles calculations. Comput. Mater. Sci. 2008. Vol. 42. P. 531–536. DOI: 10.1016/j.commatsci.2007.08.018.
8. Semiconducting Silicides. Ed. by V. E. Borisenko. Berlin, 2000.
9. Kroemer H., Day G. F., Fairman R. D., et al. Preparation and some properties of Mg 2 Ge single crystals and of Mg 2 Ge p – n junc tions. J. Appl. Phys. 1965. Vol. 36, issue 8. P. 2461–2470. DOI: 10.1063/1.1714512.
10. Bessas D., Simon R. E., Friese K., et al. Lattice dynamics in intermetallic Mg 2 Ge and Mg 2 Si. J. Phys. : Condens. Matter. 2014. Vol. 26, No. 48. Article ID 485401. DOI: 10.1088/0953-8984/26/48/485401.
11. Scouler W. J. Optical properties of Mg 2 Si, Mg 2 Ge, and Mg 2 Sn from 0.6 to 11.0 eV at 77 K. Phys. Rev. 1969. Vol. 178, issue 3. P. 1353–1357. DOI: 10.1103/PhysRev.178.1353.
12. Morris R. G., Redin R. D., Danielson G. C. Semiconducting properties of Mg 2 Si single crystals. Phys. Rev. 1958. Vol. 109, issue 6. P. 1909 –1915. DOI: 10.1103/PhysRev.109.1909.
13. Redin R. D., Morris R. G., Danielson G. C. Semiconducting properties of Mg 2 Ge single crystals. Phys. Rev. 1958. Vol. 109, issue 6. P. 1916 –1920. DOI: 10.1103/PhysRev.109.1916.
14. Mahan J. E., Vantomme A., Langouche G., et al. Semiconducting Mg 2 Si thin films prepared by molecular-beam epitaxy. Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54, issue 23. P. 16965–16971. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.16965.
15. Vazquez F., Forman R. A., Cardona M. Electroreflectance measurements on Mg 2 Si, Mg 2 Ge, and Mg 2 Sn. Phys. Rev. 1968. Vol. 176, issue 3. P. 905–908.
16. Stella A., Lynch D. W. Photoconductivity in Mg 2 Si and Mg 2 Ge. J. Phys. Chem. Solids. 1964. Vol. 25, No. 11. P. 1253–1259. DOI: 10.1016/0022-3697(64)90023-X.
17. Stella A., Brothers A. D., Hopkins R. H., et al. Pressure coefficient of the band gap in Mg 2 Si, Mg 2 Ge, and Mg 2 Sn. Phys. Stat. Solidi. 1967. Vol. 23, issue 2. P. 697–702. DOI: 10.1002/pssb.19670230231.
18. Au-Yang M. Y., Cohen M. L. Electronic structure and optical properties of Mg 2 Si, Mg 2 Ge, and Mg 2 Sn. Phys. Rev. 1969. Vol. 178, issue 3. P. 1358–1364. DOI: 10.1103/PhysRev.178.1358.
19. Viennois R., Jund P., Colinet C., Tédenac J.-C. Defect and phase stability of solid solutions of Mg 2 X with an antifluorite structure: an ab initio study. J. Solid  State Chem. 2012. Vol. 193. P. 133–136. DOI: 10.1016/j.jssc.2012.04.048.
20. Meloni F., Mooser E., Baldereschi A. Bonding nature of conduction states in electron-deficient semiconductors: Mg 2 Si. Physica B + C. 1983. Vol. 117/118. P. 72–74. DOI: 10.1016/0378-4363(83)90444-8.
21. Wood D. M., Zunger A. Electronic structure of generic semiconductors: antifluorite silicide and III–V compounds. Phys. Rev. B. 1986. Vol. 34, issue 6. P. 4105– 4120.
22. Folland N. O. Self-consistent calculations of the energy band structure of Mg 2 Si. Phys. Rev. 1967. Vol. 158. P. 764 –775. DOI: 10.1103/PhysRev.158.764.
23. Lee P. M. Electronic structure of magnesium silicide and magnesium germanide. Phys. Rev. 1964. Vol. 135. P. A1110 –A1114. DOI: 10.1103/PhysRev.135.A1110.
24. Benhelal O., Chahed A., Laksari S., et al. First-principles calculations of the structural, electronic and optical properties of IIA – IV antifluorite compounds. Phys. Stat. Solidi (b). 2005. Vol. 242, issue 10. P. 2022–2032. DOI: 10.1002/pssb.200540063.
25. Bashenov V. K., Mutal A. M., Timofeenko V. V. Valence-band density of states for Mg 2 Si from pseudopotential calculation. Phys. Stat. Solidi (b). 1978. Vol. 87, issue 2. P. K77–K79. DOI: 10.1002/pssb.2220870247.
26. Arnaud B., Alouani M. All-electron projector-augmented-wave GW approximation: application to the electronic properties of semiconductors. Phys. Rev. B. 2000. Vol. 62, issue 7. P. 4464 – 4476. DOI: 10.1103/PhysRevB.62.4464.
27. Arnaud B., Alouani M. Electron-hole excitations in Mg 2 Si and Mg 2 Ge compounds. Phys. Rev. B. 2001. Vol. 64, issue 3. Article ID 033202. DOI: 10.1103/PhysRevB.64.033202.
28. Chen Q., Xie Q., Zhao F.-J., et al. First-principles calculations of electronic structure and optical properties of strained Mg2Si. Chin. Sci. Bull. 2010. Vol. 55, issue 21. P. 2236 –2242. DOI: 10.1007/s11434-010-3280-7.
29. Krivosheeva A. V., Kholod A. N., Shaposhnikov V. L., et al. Band structure of Mg 2 Si and Mg 2 Ge semiconducting compounds with a strained crystal lattice. Semiconductors. 2002. Vol. 36, issue 5. P. 496 –500. DOI: 10.1134/1.1478538.
30. Blaha P., Schwarz K., Madsen G. K. H., et al. WIEN2k, An Augmented Plane Wave + Local Orbitals Program For Calculating Crystal Properties. Wien, 2001.
31. Perdew J. P., Chevary J. A., Vosko S. H., et al. Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation. Phys. Rev. B. 1992. Vol. 46, issue 11. P. 6671– 6687. DOI: 10.1103/PhysRevB.46.6671.
32. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77, issue 18. P. 3865–3868. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
33. Lee I.-H., Martin R. M. Applications of the generalized-gradient approximation to atoms, clusters, and solids. Phys. Rev. B. 1997. Vol. 56, issue 12. P. 7197–7205. DOI: 10.1103/PhysRevB.56.7197.
34. Dal Corso A., Pasquarello A., Baldereschi A., et al. Generalized-gradient approximations to density-functional theory: A comparative study for atoms and solids. Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53, issue 3. P. 1180 –1185. DOI: 10.1103/PhysRevB.53.1180.
35. Perdew J. P., Wang Y. Accurate and simple analytic representation of the electron-gas correlation energy. Phys. Rev. B. 1992. Vol. 45, issue 23. P. 13244 –13249. DOI: 10.1103/PhysRevB.45.13244.
36. Jain S. C., Willis J. R., Bullough R. A review of theoretical and experimental work on the structure of GexSi1 – x strained layers and superlattices, with extensive bibliography. Adv. Phys. 1990. Vol. 39. P. 127–190. DOI: 10.1080/00018739000101491.
37. Whitten W. B., Chung P. L., Danielson G. C. Elastic constants and lattice vibration frequencies of Mg 2 Si. J. Phys. Chem. Solids. 1965. Vol. 26, issue 1. P. 49–56. DOI: 10.1016/0022-3697(65)90071-5.
38. Chung P. L., Whitten W. B., Danielson G. C. Lattice dynamics of Mg 2 Ge. J. Phys. Chem. Solids. 1965. Vol. 26, issue 12. P. 1753–1760. DOI: 10.1016/0022-3697(65)90206-4.
39. Madelung O. Semiconductors: Data handbook. 3 rd ed. Berlin, 2004. P. 465– 470.
40. Alouani M., Wills J. M. Calculated optical properties of Si, Ge, and GaAs under hydrostatic pressure. Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54, issue 4. P. 2480 –2490. DOI: 10.1103/PhysRevB.54.2480.
41. Filonov A. B., Migas D. B., Shaposhnikov V. L., et al. Electronic and related properties of crystalline semiconducting iron disilicide. J. Appl. Phys. 1996. Vol. 79, issue 10. P. 7708–7712. DOI: 10.1063/1.362436.
Опубликована
2017-04-04
Как цитировать
SHAPOSHNIKOV, V. L.; KRIVOSHEEVA, A. V.; BORISENKO, V. E.. Влияние давления на электронные и оптические свойства силицида и германида магния. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, [S.l.], n. 1, p. 73-81, апр. 2017. ISSN 2520-2243. Доступно на: <http://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/12>. Дата доступа: 23 сен. 2017
Раздел
Физика конденсированного состояния