CsCu5Se3: багатий на мідь потрійний халькогенідний напівпровідник з

Рекомендувати документи

Абонентський доступ надає Бібліотека університету в Гетеборзі

CsCu5Se3: багатий міддю потрійний халькогенідний напівпровідник з майже прямим зазорним діапазоном для фотоелектричного застосування Жигуо Ся, Хуацзин Фанг, Сювен Чжан, Максим С. Молокеєв, Ромен Готьє, Цінгфен Ян, Су-Хуай Вей і Кеннет Рем Попепл Mater., Щойно прийнятий рукопис • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b05104 • Дата публікації (Інтернет): 12 січня 2018 р. Завантажено з http://pubs.acs.org 12 січня 2018 р.

Сторінка 1 з 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Хімія матеріалів

CsCu5Se3: багатий міддю потрійний халькогенідний напівпровідник з майже прямим зазором для фотоелектричного застосування Zhiguo Xia, *, †, ‡ Huajing Fang, §, ‡ Xiuwen Zhang, * ┴ Максим С. Молокеєв, ◊, ♀, ¶ Ромен Готьє, # Цінгфен Янь, § Су-Хуай Вей, ∆ Кеннет Р. Поппельмайер *, ₸ †

Пекінська муніципальна ключова лабораторія нових енергетичних матеріалів та технологій, Школа матеріалознавства та техніки, Університет науки і техніки, Пекін, Пекін, 100083, Китай § Хімічний факультет, Університет Цінхуа, Пекін, 100084, Китай ┴ Коледж електронних наук та Технологія, Університет Шеньчжень, Гуандун 518060, Китай ◊ Лабораторія фізики кристалів, Інститут фізики ім. Кіренського, Федеральний науковий центр KSC СО РАН, Красноярськ 660036, Росія ♀ Кафедра фізики Далекосхідного державного транспортного університету, Хабаровськ, 680021 Росія ¶ Сибірський федеральний університет, Красноярськ, 660041, Росія # Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), University of Nantes, CNRS, 2 rue de la Houssinière, BP 32229, 44322 Nantes, Cedex 03, France ∆ Beijing Computational Science Research Center, Beijing, 100094, China ₸ Департамент хімії Північно-Західного університету, 2145 Шерідан-роуд, Еванстон, Іллінойс, 60208-3113, США

Довідкова інформація АНОТАЦІЯ: Відкриття нових напівпровідникових кандидатів із відповідними зазорами є проблемою для оптоелектронного застосування. Повідомляється про легкий сольвотермальний синтез нового потрійного халькогенідного напівпровідника CsCu5Se3. Прогнозується також стабільність телуриду CsCu5Te3. CsCu5Se3 є ізоструктурним із CsCu5S3 (космічна група-Pmma). Розрахунки ширини забороненої зони цих напівпровідників халькогенідів за допомогою теорії функціональної гібридної щільності вказують на майже прямі зонні проміжки, а їх значення (близько 1,4 еВ) підтверджені оптичною спектроскопією поглинання. Ці халькогеніді лужних металів міді є цікавими прикладами багатих міддю структур, які зазвичай пов'язані зі сприятливим фотоелектричним застосуванням.

ВСТУП Лабораторне відкриття ніколи раніше не виготовлених сполук відкриває можливості для фундаментальних досліджень технологічно 1-4 відповідних функціональних можливостей. Серед різних сімейств функціональних матеріалів напівпровідники із зазорами енергетичних зон (Напр.) 5 близько 1,3

1,5 еВ необхідні для перетворення сонячної енергії. Наприклад, елементарні Si та двійкові GaAs, обидва добре відомі, 6 мають придатні зазори для фотоелектричних застосувань. Тим не менше, ці матеріали продовжують стимулювати пошук більш ефективних оптоелектронних матеріалів та пристроїв. У цьому контексті різні халькогеніди на основі міді нещодавно були у центрі уваги. Ця група матеріалів складається з відносно великої кількості двійкових, потрійних та мультиплярних 7-9 фаз. Зокрема, деякі сполуки групи на основі міді I-I-VI, як прогнозують, будуть стабільними, використовуючи термодинаміку перших принципів на основі функціональної щільності 10. Використовуючи ці прогнози, можна було б підготувати нову фазу RbCuTe 11, виявивши новий тип толерантного до деформації неорганічного матеріалу, що ще більше надихнуло нас на вивчення інших нових халькогенідів I-I-VI групи 12.

Синтетичні підходи на основі розчинів, такі як сольвотермічний шлях, можуть не тільки забезпечити абсолютно різні реакційні та термохімічні шляхи порівняно з твердотільними реакціями, але також забезпечити зручні, м’якохімічні процеси, здатні створювати цільові матеріали з дезірою13,14 Для лужних металевих форм, розмірів та композицій. халькогенідів міді, лише кілька прикладів, таких як NaCu5S3 або KCu7S4, були отримані в гідротермальних умовах15, 16 тионів. У цьому дослідженні було проведено комбіноване теоретичне та експериментальне дослідження з метою виявлення нових халькогенідів міді II-VI групи A-Cu-X (A = Li, Na, K, Rb і Cs; X = S, Se і Te) та нових було виділено з'єднання CsCu5Se3, ізоструктурне CsCu5S3. Далі ми представляємо розрахунки трьох халькогенідів CsCu5X3 (X = S, Se, Te) для отримання попередньої оцінки їх оптичних властивостей. Ця робота ілюструє, як методи, що базуються на розчинах, можуть орієнтуватись на конкретні фази та композиції, які не легко готуються в твердому стані.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ РОЗДІЛ Матеріали та підготовка. Всі хімічні речовини доступні у продажу, і їх використовували без подальшого очищення, CsOH · H2O (99,5%, Альфа-Аесар), Cu2S (99,5%, Альфа-Аесар), Cu2Se (99,5%, Альфа-Аесар), Тіосечовина (99% +, SigmaAldrich ), Дифенілдиселенід (98% +, Sigma-Aldrich) та етандіамін (≥ 99%, Sigma-Aldrich). Мікрокристали CsCu5S3 та CsCu5Se3 синтезували сольвотермальним методом з етандіаміном як розчинником. У типовій процедурі, що застосовується для синтезу CsCu5Se3, в прямокутник 3 × 1,75 дюйма Tef додавали 3,125 ммоль Cu2Se, 0,625 ммоль дифенілдиселеніду, 12,5 ммоль CsOH · H2O (10-кратна надмірна стехіометрія) та 6 мл етандіаміну.-

Середовище ACS Paragon Plus

Хімія матеріалів 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

трикутники (рис. 1 (d) та (e)) відповідають за різницю між δa та δc.

Рисунок 1. Кристалічна структура та профілі уточнення Рітвельда для (a) CsCu5S3 та (b) CsCu5Se3, (c) діаграми шаруватої структури CsCu5X3 та (d, e) показує контраст тонких структур з різними аніонами для двох сполук.

Таблиця 1. Основні параметри обробки та доробки CsCu5X3 (X = S, Se) Compound Sp.Gr. a, Å b, Å c, Å V, Å3 Z 2θ-інтервал, º Rwp,% R p,% Rexp,% χ2 RB,%

CsCu5Se3 Pmma 9,9909 (3) 4,0978 (1) 9,0071 (3) 368,76 (2) 2 5-110 2,39 1,78 1,62 1,47 0,57

Таблиця 2. Дрібні атомні координати та параметри ізотропного переміщення (Å2) CsCu5X3 (X = S, Se)

РЕЗУЛЬТАТИ І ОБГОВОРЕННЯ

Кристалографія/Структурні аспекти. У моделях XRD всі піки, зафіксовані для підготовлених фаз CsCu5S3 та CsCu5Se3, були проіндексовані з використанням попередньої 24 структурної моделі CsCu5S3. Дані дифракції порошку готових фаз CsCu5S3 та CsCu5Se3 у подальшому були проаналізовані за допомогою уточнення Рітвельда. (Рисунки 1a та 1b). Параметри кристалічної структури та деталі вдосконалення, а також дробові атомні координати та параметри ізотропного переміщення наведені в таблиці 1 та таблиці 2. Кристалографічні інформаційні файли (CIF) CsCu5S3 та CsCu5Se3 представлені в Додатковій інформації (SI ). На вставках, зображених на малюнках 1a та 1b, показана репрезентативна кристалічна структура з тією ж просторовою групою Pmma. Обидва CsCu5X3 (X = S, Se) мають шарувату структуру, як показано на малюнку 1c. Іони цезію розташовані між сусідніми шарами CuX3 (X = S, Se). Показано, що параметри клітин зростають нерівномірно при заміні S на Se: δa = 3,68%, δb = 3,62%, δc = 0,65%. Збільшений кут між площинами, що проходять через CuX3

CsCu5S3 Pmma 9.6365 (3) 3.9547 (2) 8.9490 (2) 341.04 (2) 2 5-110 3.98 2.68 1.51 2.64 2.36