Вісник Львівського університету. Серія фізична 57 (2020) с. 122-131
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.57.2020.122

Особливості позиціонування електронних станів 4f та 5d іону Prв матриці LaF\textsubscript{3}

В.О. Карнаушенко, Я.М. Чорнодольський, В.В. Вістовський, С.В. Сиротюк, А.С. Волошиновський

Проведено теоретичне дослідження електронної енергетичної структури LaF\textsubscript{3}:Pr, в рамках якого було розраховано та проаналізовано парціальні та загальні густини станів кристалу, зонну енергетичну структуру кристала, а також отримано величину ефективної маси електронів на дні зони провідності в околі \Gamma точки. Всі розрахунки проведені в рамках теорії функціоналу густини з використанням програмного забезпечення Abinit. Для опису швидко-осцилюючих компонент хвильових функцій поблизу остовних рівнів використовувався метод приєднаних проекційних хвиль (PAW). Врахування сильно локалізованих орбіталей 4f та 5d іонів лантанідів здійснювалось за допомогою введення поправок Хаббарда з параметрами U = 2.1 еВ та J = 0 еВ. На основі отриманих даних встановлено, що валентна зона сформована станами 2p F, а дно зони провідності утворено 5d рівнями La, нижче якого розташовані 5d стани Pr. Стани 4f Pr характеризуються високою інтенсивністю і розташовані близько середини забороненої зони. Ширина зони 2p F становить 3 еВ. Енергетична відстань між нижніми та верхніми рівнями 4f Pr рівна 4.4 еВ. Відстань між вершиною валентної зони та 4f-станами Pr - 2.1 еВ. Ширина розщеплення рівнів 5d Pr становить 1.4 еВ з центроїдом в околі 8.67 еВ. Розрахована ширина забороненої зони становить 9.6 еВ, а отримана величина ефективної маси електронів в околі дна зони провідності – 0.33m\textsubscript{0}

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Dujardin, C., et al. Needs, trends, and advances in inorganic scintillators. IEEE Transactions on Nuclear Science 65.8 (2018): 1977-1997, doi: 10.1109/TNS.2018.2840160
  2. Rodnyi, P. A., A. S. Potapov, and A. S. Voloshinovskii. Spectral and kinetic characteristics of trivalent praseodymium in LaF\textsubscript{3}-LiF and SrAl 12 O 19. Optics and spectroscopy 96.6 (2004): 862-868, doi: 10.1134/1.1771420
  3. A.M. Srivastava. Aspects of Pr\textsuperscript{3+} luminescence in solids. Journal of luminescence 169 (2016): 445–449, doi: 10.1016/j.jlumin.2015.07.001.
  4. Carnall, W. T., P. R. Fields, and R. Sarup. \textsuperscript{1}S\textsubscript{0} Level of Pr\textsuperscript{3+} in Crystal Matrices and Energy Level Parameters for the 4f\textsuperscript{2} Configuration of Pr\textsuperscript{3+} in LaF\textsubscript{3}. The Journal of Chemical Physics 51.6 (1969): 2587-2591, doi: 10.1063/1.1672382
  5. Dorenbos, Pieter. Ce\textsuperscript{3+} 5d-centroid shift and vacuum referred 4f-electron binding energies of all lanthanide impurities in 150 different compounds. Journal of Luminescence 135 (2013): 93-104, doi: 10.1016/j.jlumin.2012.09.034
  6. Jain, Anubhav, et al. Commentary: The Materials Project: A materials genome approach to accelerating materials innovation. Apl Materials 1.1 (2013): 011002, doi: 10.17188/1272758
  7. Momma, Koichi, and Fujio Izumi. VESTA: a three-dimensional visualization system for electronic and structural analysis. Journal of Applied Crystallography 41.3 (2008): 653-658, doi: 10.1107/S0021889808012016
  8. Adamo, Carlo, and Vincenzo Barone. Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The PBE0 model. The Journal of chemical physics 110.13 (1999): 6158-6170, doi: 10.1063/1.478522
  9. Himmetoglu, Burak, et al. Hubbard corrected DFT energy functionals: The LDA+U description of correlated systems. International Journal of Quantum Chemistry 114.1 (2014): 14-49, doi: 10.1002/qua.2452
  10. Karnaushenko, V., et al. Electronic energy structure of LaF\textsubscript{3}:Ce crystal. Visnyk of the Lviv University: Series Physics, 56 (2019) p. 133-139, doi: 10.30970/vph.56.2019.133
  11. Karnaushenko, V., et al. Energy band structure of LaF\textsubscript{3}:Sm and LaF\textsubscript{3}:Pm crystals. Journal of physical studies, v. 24, No. 4 (2020): p. 4, doi: 10.30970/jps.24.4703
  12. Liechtenstein, A. I., Vladimir I. Anisimov, and Jan Zaanen. Density-functional theory and strong interactions: Orbital ordering in Mott-Hubbard insulators. Physical Review B 52.8 (1995): R5467, doi: 10.1103/PhysRevB.52.R5467
  13. Dudarev, S. L., et al. Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study. Physical Review B 57.3 (1998): 1505, doi: 10.1103/PhysRevB.57.1505
  14. Gonze, Xavier, et al. ABINIT: First-principles approach to material and nanosystem properties. Computer Physics Communications 180.12 (2009): 2582-2615, doi: 10.1016/j.cpc.2009.07.007
  15. Blochl, Peter E. Projector augmented-wave method. Physical review B 50.24 (1994): 17953, doi: 10.1103/PhysRevB.50.17953
  16. Topsakal, M., and R. M. Wentzcovitch. Accurate projected augmented wave (PAW) datasets for rare-earth elements (RE= La–Lu). Computational materials science 95 (2014): 263-270, doi: 10.1016/j.commatsci.2014.07.030