Вісник Львівського університету. Серія фізична 59 (2022) с. 23-41
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.59.2022.23

Вивчення модифікації хромофорної групи у сегнетоеластоелектрику (NH4)2CuCl4\times2Н2О з використанням абсорбційної спектроскопії і комп’ютерного моделювання

В. Капустяник, С. Семак, Ю. Чорній, О. Бовгира, М. Коваленко

Ця робота присвячена дослідженню температурних змін хромофорної групи в сегнетоеластоелектрику (NH4)2CuCl4\times2Н2О з використанням експериментальної абсорбційної спектроскопії і комп’ютерного моделювання. Отримані дані насамперед стосуються інформації про варіації метал-галоген-гідратного комплексу та пов’язані з ними структурні зміни в околі сегнетоеластоелектричного фазового переходу при \it{T}c=200,5 К. Показано, що цей комплекс має форму сплющеного октаедра з найкоротшою відстанню O-Cu-O з одночасним ромбічним спотворенням в екваторіальній площині. Встановлено, що параметри елементарних контурів, які відповідають \textit{d}-\textit{d} переходам електронів, виявляють помітні аномалії на їхніх температурних залежностях в точці фазового переходу. Першопринципні розрахунки в рамках теорії функціоналу густини підтвердили наведені висновки. Край поглинання у ближній УФ області розрахованого спектру для світла поляризованого вздовж осі \textit{z}, був віднесений до переходів електронів з Cu2+ \textit{d}-орбіталей на \textit{sp}-гібридизовані орбіталі Cl- і O2- в нижній частині зони провідності, тоді як для світла, поляризованого перпендикулярно до осі \textit{z}, він відноситься до смуги перенесення заряду з \textit{p} орбіталей Cl- на \textit{d} орбіталі Cu2+. Фундаментальний край поглинання, який відповідає електронним переходам між валентною зоною і зоною провідності, має бути розташованим вище від 50 000 см-1.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Tylczynski Z. Ferroelastoelectric Phase Transition in (NH4)2CuCl4\times2Н2О Single Crystal / Z. Tylczynski, M. Wiesner // Mater. Chem. Phys. –- 2015. – Vol.149-150. –- P. 566-573. doi:10.1016/j.matchemphys.2014.11.007.
  2. Suga H. Heat Capacity and Thermodynamic Functions of K2CuCl4\times2H2O and (NH4)2CuCl4\times2Н2О from 13 to 310 K / H. Suga, M. Sorai, T. Yamanaka, S. Seki // Bull. Chem. Soc. Jpn. –- 1965. -- Vol. 38. -- P. 1007-1015. doi:10.1246/bcsj.38.1007.
  3. Iziumov Y., Phase Transitions and Crystal Symmetry, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1990.
  4. Hendricks S. The Crystal Structures of Ammonium, Potassium and Rubidium Cupric Chloride Dihydrates / S. Hendricks, R. Dickinson // J. Am. Chem. Soc. -– 1927. –- Vol. 49. – p. 2149-2162. doi:10.1021/ja01408a005.
  5. Bhakay-Tamhane S. Disorder of Ammonium Ions in Diammonium Tetrachlorocuprate Dihydrate, (NH4)2CuCl4\times2Н2О: a High-Precision Neutron Diffraction Study / S. Bhakay-Tamhane, A. Sequeira, R. Chidambaram // Acta Cryst. –- 1980. –- Vol. B36. -– P. 2925-2929. doi:10.1107/S0567740880010539.
  6. Itoh J. Nuclear Magnetic Resonance Experiments on CuCl2\times2H2O, K2CuCl4\times2H2O and (NH4)2CuCl4\times2Н2О / J. Itoh, R. Kusaka, Y. Yamagata, R. Kiriyama, H. Ibamoto // Physica. –- 1953. -- Vol. 19. -- P. 415-418. doi:10.1016/S0031-8914(53)80047-9.
  7. Maluszynska H. Ferroelastoelectric Ordering in (NH4)2CuBr4\times2H2O Single Crystal / H. Maluszynska, Z. Tylczynski, A. Cousson // CrystEngComm. -- 2013. -- Vol. 15. -- P. 7498-7504. doi:10.1039/C3CE41113C.
  8. Bansal M. L. Raman Study of (NH4)2CuCl4\times2Н2О-I: Dynamics and Structure in Low Temperature Phase / M. L. Bansal, V. C. Sahni, A. P. Roy // J. Phys. Chem. Sol. –- 1979. -- Vol. 40. -- P. 109-120. doi:10.1016/0022-3697(79)90028-3.
  9. Roy A. P. Raman Study of (NH4)2CuCl4·2H2O-II: Order-Disorder Transition / A. P. Roy, V. C. Sahni, M. L. Bansal, // J. Phys. Chem. Sol. -- 1979. -- Vol. 40. -- P. 289-292. doi:10.1016/0022-3697(79)90104-5.
  10. Slaboszewska M. Thermal, Dielectric, Elastic and Optical Properties of (NH4)2CuCl4\times2Н2O Crystal and Related Compounds / M. Slaboszewska, Z. Tylczynski, A. Pietraszko, D. Karaev // Ferroelectrics. -- 2004. -- Vol. 302. -- p. 55-58. doi:10.1080/00150190490456295.
  11. Toledano P. Order-Parameter Symmetries for the Phase Transitions of Nonmagnetic Secondary and Higher-Order Ferroics / P. Toledano, J.-C. Toledano // Phys. Rev. B. -- 1977. -- Vol. 16. -- P. 386-407. doi:10.1103/PhysRevB.16.386.
  12. Kapustianyk V. Phase Transitions and Temperature Changes of the Optical Absorption Edge in (NH2(C2H5)2)2CoCl4 Layered Crystal / V. Kapustianyk, S. Semak, P. Demchenko, I. Girnyk, Yu. Eliyashevskyy // Phase Transitions. -- 2018. -- Vol. 91. -- P. 715-723. doi:10.1080/01411594.2018.1473578.
  13. Kapustianyk V. Temperature Evolution of the Intra-Ion Absorption Spectra of (NH2(C2H5)2)2CoCl4 Crystals in the Region of their Thase Transitions / V. Kapustianyk, S. Semak, M. Panasyuk, M. Rudko, V. Rudyk // Phase Transitions. -– 2019. –- Vol. 92. –- P. 396-405. doi:10.1080/01411594.2019.1591407.
  14. Narsimlu N. Spectroscopic and Transport Properties of (NH4)2CuCl4\times2Н2O Single Crystal / N. Narsimlu, K. Sivakumar, G. S. Sastry // Cryst. Res. Technol. -- 1996. -- Vol. 31. -- P. 385-389. doi:10.1002/crat.2170310318.
  15. Zolfaghari P. The electronic structure of organic-inorganic hybrid compounds: (NH4)2CuCl4, (CH3NH3)2CuCl4 and (C2H5NH3)2CuCl4 / P. Zolfaghari, G. A. de Wijs, R. A. de Groot // J. Phys.: Condens. Matter. –- 2013. –- Vol. 25. –- P. 295502. doi:10.1088/0953-8984/25/29/295502.
  16. Капустяник В. Б., Фізика фероїків з органічним катіоном, Львів: Вид. центр ЛНУ ім. Івана Франка, 2006, 439 с.
  17. Giannozzi P. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO / P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, et al. // J. Phys. Condens. Matter. –- 2017. –- Vol. 29. –- P. 465901. doi:10.1088/1361-648X/aa8f79.
  18. A. Mordecai, Nonlinear Programming: Analysis and Methods, 03rd Edition, Dover, New York, 2003.
  19. Garrity K. F. Pseudopotentials for high-throughput DFT calculations / K. F. Garrity, J. W. Bennett, K. M. Rabe, D. Vanderbilt // Comp. Mater. Sci. –- 2014. –- Vol. 81. –- P. 446-452. doi:10.1016/j.commatsci.2013.08.053.
  20. Cococcioni M. Linear response approach to the calculation of the effective interaction parameters in the LDA + U method / M. Cococcioni, S. Gironcoli // Phys. Rev. B. –- 2005. –- Vol. 71. –- P. 035105. doi:10.1103/PhysRevB.71.035105.
  21. Monkhorst H. J. Special points for Brillouin-zone integrations / H. J. Monkhorst, J. D. Pack // Phys. Rev. B. –- 1976. –- Vol. 13. –- P. 5188-5192. doi:10.1103/PhysRevB.13.5188.
  22. Franiv V. Simulation of optical spectra of novel Tl4CdI6 and Tl4HgI6 optoelectronic crystals / V. Franiv, O. Bovgyra, O. Kushnir, A. Franiv, K. J. Plucinski // Opt. Appl. –- 2014. –- Vol. 44. –- P. 317-326. doi:10.5277/oa140212.
  23. Капустяник В. Вплив сегнетоеластоелектричного фазового переходу на температурну еволюцію оптичного краю поглинання кристалів тетрахлоркупрату амонію дигідрату / В. Капустяник, С. Семак, Ю. Чорній // Вісник Львівського університету. Серія фіз. –- 2021. –- Т. 58. –- С. 85-97. doi:10.30970/vph.58.2021.85.
  24. Kapustianyk V. Domain Structure and Birefringent Properties of [(CH3)2CHNH3]4Cd3Cl10:Cu Crystals in the Region of their Phase Transitions / V. Kapustianyk, Z. Czapla, V. Rudyk, Yu. Eliyashevskyy, P. Yonak, S. Sveleba // Ferroelectrics. –- 2019. –- Vol. 540. –- P. 212-221. doi:10.1080/00150193.2019.1611113.
  25. Vlokh О. G. Spectral Studies of NH2(CH3)2Al(SO4)2\times6H2O Ferroelectric Crystals (In Russian) / О. G. Vlokh, V. B. Kapustianyk, I. А. Mykhalyna, S. А. Sveleba, I. I. Polovinko, Ye. F. Аndreyev, V. М. Varikash, L. А. Shuvalov // Crystallography. –- 1991. –- Vol. 36. –- P. 919–924.
  26. Lever A. B. P. Inorganic Elecrtonic Spectroscopy, Elsevier Science Publ. B.V., Amsterdam, 1984.
  27. Kapustianik V. Electronic Spectra and Crystal Structure of the Layered Compounds (CnH2n+1NH3)2CuCl4 (n = 2, 3) in the Region of Their Phase Transitions / V. Kapustianik, V. Bazhan, Yu. Korchak // Phys. Stat. Sol.(b). –- 2002. –- Vol. 234. –- P. 674-688. doi:10.1002/1521-3951(200211)234:2<674::AID-PSSB674>3.0.CO;2-2.
  28. Ae Ran Lim. Structural changes, thermodynamic properties, 1H magic angle spinning NMR, and 14N NMR of (NH4)2CuCl4\times2Н2О / Ae Ran Lim, Sun Ha Kim // RSC Adv. –- 2018. –- Vol. 8. –- P. 6502-6506. doi:10.1039/C8RA00170G.
  29. Cortecchia D. Lead-Free MA2CuClxBr4–x Hybrid Perovskites / D. Cortecchia, H. A. Dewi, J. Yin, A. Bruno, S. Chen, T. Baikie, P. P. Boix, M. Gr\"atzel, S. Mhaisalkar, C. Soci, N. Mathews // Inorg. Chem. –- 2016. –- Vol. 55. –- P. 1044–1052. doi:10.1021/acs.inorgchem.5b01896.
  30. Arramel A. Ligand size effects in two-dimensional hybrid copper halide perovskites crystals / A. Arramel, A. D. Fauzi, X. Yin, C. S. Tang, M. H. Mahyuddin, M. F. Sahdan, M. Aminah, D. Onggo, G. Shukri, C. Diao, H. Wang, M. D. Birowosuto, A. T. S. Wee, A. Rusydi // Commun Mater. –- 2021. –- Vol. 2. –- P. 1-12. doi:10.1038/s43246-021-00175-6.
  31. Heyd J. Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential / J. Heyd, G. E. Scuseria, M. Ernzerhof // The Journal of Chemical Physics. –- 2003. –- Vol. 118. –- P. 8207–8215. doi:10.1063/1.1564060.