Вісник Львівського університету. Серія фізична 60 (2023) с. 144-156
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.60.2023.144

Структура і властивості електронного спектру кристалів LiH3(SeO3)2

М. Онисько, О. Бовгира, М. Коваленко, П. Якібчук

В роботі проведено теоретичні першопринципні дослідження структурних та електронних властивостей сегнетоелектричних кристалів LiH3(SeO3)2. В межах теорії функціоналу густини, використовуючи метод BFGS проведено оптимізацію моделі структури кристалу, використовуючи різні наближення для опису обмінно-кореляційної взаємодії: GGA (PBE), GGA (PBEsol), GGA(WC) та HSE06. Для опису слабкої міжмолекулярної взаємодії враховано напівемпіричні попарні дисперсійні поправки для ван-дер-ваальсівської взаємодії (метод DFT+D) за схемами Грімма, Ткаченка і Шефлера і дисперсії багатьох частинок (MBD). Встановлений характер розподілу електронних станів вказує на непряму природу краю фундаментального поглинання LiH3(SeO3)2. Для ідентифікації походження різних зон валентного комплексу проведено аналіз парціальних внесків окремих орбіталей в розподіли густини електронних станів. Проведено аналіз просторового розподілу зарядової густини \rho(r).

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Shockley W. Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells / W. Shockley, H. J. Queisser // J. Appl. Phys. -- 1961. -- Vol. 32. -- P. 510--519. doi: 10.1063/1.1736034.
  2. Pepinsky R. New Room-Temperature Ferroelectric LiH3(SeO3)2 / \mbox{R. Pepinsky}, K. Vedam // Phys. Rev. -- 1959. -- Vol. 114. -- P. 1217--1218. doi: 10.1103/PhysRev.114.1217.
  3. Vedam K. Crystal Structure of Ferroelectric LiH3(SeO3)2 / K. Vedam, Y. Okaya, R. Pepinsky // Phys. Rev. -- 1960. -- Vol. 119. -- P. 1252--1255. doi: 10.1103/PhysRev.119.1252.
  4. Yang X. Transparent ultraviolet photovoltaic cells / X. Yang, C.-X. Shan, Y.-J. Lu, X.-H. Xie, B.-H. Li, S.-P. Wang, M.-M. Jiang, D.-Z. Shen // Optics Letters. -- 2016. -- Vol. 41. -- P. 685–688. doi: 10.1364/OL.41.000685.
  5. Oli A. V. Near-ultraviolet indoor black light-harvesting perovskite solar cells / A. V. Oli, Z. Li, Y. Chen, A. Ivaturi // ACS Appl. Energy Mater. -- 2022. -- Vol. 5. -- P. 14669--14679. doi: 10.1021/acsaem.2c01560.
  6. Lee K.-S. Surface transformation of ferroelectric LiH3(SeO3)2 and topochemical nature / K.-S. Lee, J. S. Kim, Y. S. Yu // J. Korean Phys. Soc. -- 2003. -- Vol. 42. -- P. S1030--S1033.
  7. Clark S. J. First principles methods using CASTEP / S. J. Clark, M. D. Segall, C. J. Pickard, P. J. Hasnip, M. I. Probert, K. Refson // Zeitschrift f\"ur Kristallographie-Crystalline Materials. -- 2005. -- Vol. 220. -- P. 567--570. doi: 10.1524/zkri.220.5.567.65075.
  8. Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism / D. Vanderbilt // Phys. Rev. B. -- 1990. -- Vol. 41. -- P. 7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892.
  9. Perdew J. P. Generalized gradient approximation made simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. -- 1996. -- Vol. 77. -- P. 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
  10. Perdew J. P. Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces / J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, G. I. Csonka, O. A. Vydrov, G. E. Scuseria, L. A. Constantin, X. Zhou, K. Burke // Phys.Rev. Lett. -- 2008. -- Vol. 100. -- P. 136406. doi: 10.1103/PhysRevLett.100.136406.
  11. Wu Z. More accurate generalized gradient approximation for solids / Z. Wu, R. E. Cohen // Phys. Rev. B -- 2006. -- Vol. 73. -- P. 235116. doi: 10.1103/PhysRevB.73.235116.
  12. Becke A. D. Density functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A. D. Becke // Chem. Phys. -- 1993. -- Vol. 98. -- P. 5648. doi: 10.1063/1.464913.
  13. Lee C. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density / C. Lee, W. Yang, R. G. Parr // Phys. Rev. B -- 1988. -- Vol. 37. -- P. 785. doi: 10.1103/PhysRevB.37.785.
  14. Heyd J. Erratum: ''Hybrid functionals based on a screened Coulomb potential'' [J. Chem. Phys. 118, 8207 (2003)] / J. Heyd, G. E. Scuseria, M. Ernzerhof // J. Chem. Phys. -- 2006. -- Vol. 124. -- P. 219906--219901. doi: 10.1063/1.2204597.
  15. Grimme S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction / S. Grimme // J. Comput. Chem. -- 2006. -- Vol. 27. -- P. 1787--1799. doi: 10.1002/jcc.20495.
  16. Tkatchenko A. Accurate Molecular Van Der Waals Interactions from Ground-State Electron Density and Free-Atom Reference Data / A. Tkatchenko, M. Scheffler // Phys. Rev. Lett. -- 2009. -- Vol. 102. -- P. 073005. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.073005.
  17. Ambrosetti A. Long-range correlation energy calculated from coupled atomic response functions / A. Ambrosetti, A. M. Reilly, R. A. DiStasio, A. Tkatchenko // J. Chem Phys. -- 2014. -- Vol. 140. -- P. 18A508. doi: 10.1063/1.4865104.
  18. Broyden C. G. The Convergence of a Class of Double-rank Minimization Algorithms: 2. The New Algorithm / C. G. Broyden // IMA Journal of Applied Mathematics. -- 1970. -- Vol. 6, №3. -- P. 222. doi: 10.1093/imamat/6.3.222.
  19. Fletcher R. A new approach to variable metric algorithms /R. Fletcher // The Computer Journal. -- 1970. -- Vol. 24(3). -- P. 23. doi: 10.1093/comjnl/13.3.317.
  20. Goldfarb D. A family of variable-metric methods derived by variational means / D. Goldfarb // Mathematics of Computation. -- 1970. -- Vol. 24. -- P. 23. doi: 10.1090/S0025-5718-1970.-0258249-6.
  21. Shanno D. F. Conditioning of quasi-Newton methods for function minimization / D. F. Shanno // Mathematics of Computation. -- 1970. -- Vol. 24. -- P. 647. doi: 10.1090/S0025-5718-1970-0274029-X.
  22. Pepitsky R. LiH3(SeO3)2: New Room-Temperature Ferroelectric / R. Pepinsky and K. Vedam // Phys. Rev. -- 1959. -- Vol. 114. -- P. 1217. doi: 10.1103/PhysRev.114.1217.
  23. Lim A. R. Investigation of local symmetry in LiH3(SeO3)2 single crystals by 1H and 7Li nuclear magnetic resonance / A. R. Lim // Journal of Molecular Structure -- 2013. -- V.1049 -- P. 263. doi: 10.1016/j.molstruc.2013.06.050.
  24. Tellgren R. A Neutron Diffraction Study of the Ferroelectric Lithium Trihydrogen Selenite, LiH3(SeO3)2 / R. Tellgren and R. Liminga// J. Solid State Chem. -- 1972. -- Vol. 4. -- P. 255. doi: 10.1016/0022-4596(72)90114-4.
  25. Mohana Rao J. K. Refmement of the Crystal Structure of Ferroeleetrie Add Lithium Selenite: Position of the Lithium Ion / J. K. Mohana Rao, M. A. Viswamitra// Acta Cryst. -- 1971. -- Vol. B27. -- P. 1765. doi: 10.1107/S056774087100476X.
  26. Chomnilpan S. Absolute Atomic Arrangement of Ferroelectric Lithium Trihydrogendiselenite / S. Chomnilpan, R. Liminga, R. Tellgren // Acta Cryst. -- 1979. -- Vol. B35. -- P. 2692--2695. doi: 10.1107/S0567740879010219.
  27. Lehmann M. S. The Hydrogen Bond System in Potassium Trihydrogen Bis-selenite, KH3(SeO3)2, and in Potassium Trideuterio Bis-selenite KD3(SeO3)2, as Determined by Neutron Diffraction / M. S. Lehmann, F. K. Larsen // Acta Chemica \mbox{Scandinavica}. -- 1971. -- Vol. 25. -- P. 3859--3871.
  28. Straub L. C. Selenous Acid in an Aromatic Framework: Insights Into a Temperature-Sensitive Internal Redox System from the Solid State / L. C. Straub, \mbox{M. S. Wickleder}, B. Rasche // Inorg. Chem. -- 2022. -- Vol. 61, № 8. -- P. 3641--3648. doi: 10.1021/acs.inorgchem.1c03734.
  29. Kapustianyk V. Photoelectric phenomena in LiH3(SeO3)2 ferroelectric crystals / V. Kapustianyk, Yu. Eliyashevskyy, O. Vira, B. Turko, Z. Czapla // Opt. Mater. -- to be published.
  30. Miyoshi T. Single-Crystal Neutron Structural Analyses of Potassium Dihydrogen Phosphate and Potassium Dideuterium Phosphate / T. Miyoshi, H. Mashiyama, T. Asahi, H. Kimura, Yu. Noda // J. Phys. Soc. Jpn. -- 2011. -- Vol. 80. -- P. 044709. doi: 10.1143/JPSJ.80.044709.