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Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 12978 (2022) Citar este artículo

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Las propiedades optoelectrónicas de la aleación ternaria Cd0.25Zn0.75Se se informan bajo la influencia de una alta presión que oscila entre 0 y 25 GPa, dentro de un potencial de Becke-Jhonson modificado utilizando la teoría funcional de la densidad. Esta aleación tiene simetría cúbica, es mecánicamente estable y su módulo volumétrico aumenta con la presión. Se observa que es un material de banda prohibida directa con una energía de banda prohibida que aumenta de 2,37 a 3,11 eV con el aumento de la presión. La presión cambia las propiedades ópticas y electrónicas, lo que hace que el coeficiente de absorción aumente y absorba la luz visible de verde a violeta. La constante dieléctrica estática, junto con el índice de refracción estático, aumentan bajo la influencia de la presión. También se investigan y analizan las constantes ópticas, incluida la constante dieléctrica, la conductividad óptica, el índice de refracción, el coeficiente de extinción y la reflexión. Este pronóstico del DFT explora importantes direcciones de investigación para el uso de aleaciones semiconductoras CdZnSe en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos y fotovoltaicos espaciales que funcionan a diferentes presiones.

El uso de tecnología actualizada conduce continuamente a nuevas innovaciones tecnológicas donde el rápido crecimiento de las aleaciones ternarias, así como la inclusión de nuevos campos de aplicación y avances técnicos, plantea varios desafíos científicos y tecnológicos. Al ajustar la composición y provocar efectos de presión, las propiedades de los semiconductores de los grupos II a VI pueden adaptarse para usos específicos en dispositivos optoelectrónicos comercializados bien conocidos que pueden funcionar en rangos de espectro completos1. La banda prohibida directa de estas aleaciones desempeña un papel clave en numerosas aplicaciones de dispositivos interesantes, incluidas las industrias optoelectrónica y fotovoltaica, debido a su banda prohibida ajustable bajo la influencia de la composición y la presión2. Fotodetectores de longitud de onda variable, diodos emisores de luz, sensores de luz, células solares, energía fotovoltaica espacial y dispositivos similares basados ​​en materiales orgánicos son aplicaciones posibles para estas aleaciones ternarias2,3,4,5,6,7,8.

Las aleaciones ternarias de CdZnSe son de gran interés y resultan atractivas para su uso en la producción de dispositivos fotoluminiscentes, fotoconductores y luminiscentes debido a su mayor estabilidad y amplia banda prohibida9,10,11,12. Se han sintetizado películas delgadas de semiconductores CdZnSe para estudiar propiedades estructurales, dieléctricas y magnéticas mediante técnicas de epitaxia de haz molecular (MBE)13, electrodeposición14, evaporación al vacío15 y deposición en baño químico (CBD)12. Estos estudios se han realizado para propiedades estructurales16,17, propiedades dieléctricas18 y propiedades magnéticas19. Loghina et al. también han informado sobre la síntesis de puntos cuánticos de CdZnSe. en el que han medido una banda prohibida directa de 2,27 eV20. Teóricamente, las características electrónicas y ópticas se han investigado utilizando un enfoque pseudopotencial de onda plana sin tratamiento de presión dentro del código CASTEP21, mientras que las características termodinámicas de los semiconductores ternarios Cd0,25Zn0,75Se se han explorado dentro de un modelo teórico para el rango de temperatura de 0– 1000 K y una presión de 0 a 10 GPa, respectivamente, utilizando el software Quantum Expresso22. Ciertas propiedades físicas a presión ambiental, incluidas las características electrónicas y estructurales, también se han analizado utilizando el método de los primeros principios23.

Según nuestro entendimiento, existe una deficiencia significativa en el comportamiento de la aleación ternaria Cd0.25Zn0.75Se seleccionada, y la falta de información adecuada nos motivó a explorar sus propiedades optoelectrónicas bajo la influencia de alta presión. Este estudio se centra en proporcionar información teórica sobre características optoelectrónicas y análisis para comprender los fenómenos físicos subyacentes que ocurren bajo la influencia de alta presión. Por primera vez se investigan y discuten las relaciones de propiedades estructurales y la estabilidad bajo alta presión. En el presente estudio, se empleó el método DFT dentro del potencial mBJ para explorar las propiedades elásticas, electrónicas, mecánicas y ópticas del semiconductor ternario Cd0.25Zn0.75Se a distintas presiones hidrostáticas. Es un paso inicial para explorar las características optoelectrónicas de este material bajo la influencia de alta presión.

Las ecuaciones de Kohn-Sham se resuelven con la ayuda de cálculos de primeros principios utilizando la teoría funcional de la densidad (DFT)24 tal como se emplea en el software Wien2k25. Para emplear este enfoque DFT, los estados del núcleo y de valencia se establecieron en una separación de energía de −6,0 Ry, mientras que los potenciales de onda armónica esférica para el núcleo se ampliaron al valor de Lmax = 10. El criterio de convergencia se estableció en 1 mRy. /Bohr, 0,00001 e y 0,00001 Ry para fuerza, carga y energía, respectivamente, donde el valor RMT*Kmax se tomó como 7,0. El radio de las esferas de muffin-tin (RMT) para los átomos de Cd, Zn y Se se estableció en 2,29, 2,29 y 2,18 Bohr, mientras que se generó un muestreo de malla de puntos k con un orden de 12 × 12 × 12 en la zona irreducible de Brillouin. . El método Becke-Jhonson modificado (mBJ), propuesto por Tran y Blaha26, se utilizó para investigar las propiedades optoelectrónicas en función de la presión.

El efecto de la presión sobre parámetros estructurales como la constante de red se aproximó con la ayuda de27; a(P) = a0[\({1+P\frac{{B}^{{\prime}}}{{B}_{0}}]}^{\frac{-1}{{3B} ^{{\prime}}}}\), en el que a0 representa la constante de red a presión ambiental, P es la presión hidrostática, B0 es el módulo volumétrico y B′ representa el módulo volumétrico de la derivada de presión, respectivamente. Numerosas investigaciones ya han demostrado el cumplimiento de esta relación al evaluar la influencia variable de la presión sobre los parámetros estructurales y, en consecuencia, sobre las demás características. Sus resultados respectivos son idénticos a los resultados experimentales, lo que nos da confianza en la consistencia del empleo de esta relación para examinar la influencia de la presión en las características optoelectrónicas de la aleación Cd0.25Zn0.75Se.

A presión ambiente, la aleación Cd0.25Zn0.75Se exhibe una estructura cúbica de mezcla de zinc. Calculamos constantes elásticas a diferentes presiones para investigar la estabilidad mecánica bajo la influencia de alta presión y se encontró que las constantes elásticas aumentaban con el aumento de la presión y se cumplían las condiciones de estabilidad cúbica. En los cristales cúbicos existen sólo tres constantes elásticas independientes: C11, C12 y C44. Los criterios de estabilidad de Born se prueban a presión ambiente para determinar la estabilidad mecánica usando C11–C12 > 0, C44 > 0 y C11 + 2C12 > 0, mientras que a alta presión, los estándares adicionales para la estabilidad (mecánica) de las estructuras son C11 + C12. + P > 0, C11 – C12 – 2P > 0 y C44 – P > 028. Las constantes elásticas bajo presión ambiente y alta satisfacen los estándares de estabilidad anteriores y, por lo tanto, esta aleación ternaria es mecánicamente estable dentro del rango de presión de 0–25. GPa. La constante de red, los coeficientes elásticos y la variación de la densidad de estados bajo la influencia de la alta presión se muestran en las figuras 1a a c. En la Tabla 1 se presenta un resumen de las constantes elásticas y los parámetros de estabilidad. Según los datos de los módulos elásticos, es obvio que esta aleación satisface todos los criterios de estabilidad, es estable en simetría cúbica bajo alta presión y puede aplicarse potencialmente en la fabricación de dispositivos.

Análisis de constantes elásticas y densidad de estados bajo la influencia de la presión, (a) variación de la constante de red, (b) variación de C11, C12, C14, (c) módulos de corte, módulo de volumen, variación del módulo joven, (d) TDOS de Cd0. Aleación 25Zn0.75Se, (e) PDOS de átomo de Cd y (f) PDOS de átomo de Zn.

Las propiedades mecánicas de un material, incluido el módulo de volumen (B), el módulo de corte (G), la relación de Pugh, el factor de anisotropía (A), el módulo de Young (E), la presión de Cauchy (CP) y la relación de Poisson (σ)29,30. , se utilizan para estudiar la estabilidad mecánica de los materiales investigados31. El módulo de volumen (B) puede presentarse como:

donde,

y Bv representa el módulo de volumen de Voigt, mientras que BR representa el módulo de volumen de Reuss. Sin embargo, la rigidez del material también puede determinarse mediante el módulo de corte (G) como;

donde,

y,

donde Gv representa el módulo de corte de Voigt mientras que GR representa el módulo de corte de Reuss32. Además, la relación de Poisson (σ) y el módulo de juventud (E) pueden explicarse en términos de módulo de volumen y módulo de corte de la siguiente manera;

La presión de Cauchy (CP) y el factor anisotrópico (A) se pueden ilustrar matemáticamente como;

Además, la relación de Pugh se describe como la relación entre el módulo de volumen y el módulo de corte (B/G), para determinar la ductilidad o fragilidad de un material. Un valor de un material superior a 1,75 G/B se considera un material dúctil, mientras que un valor inferior a 1,75 G/B se indica como un material frágil33,34. Se estima que el valor crítico de la relación de Pugh es superior a 1,75 en un rango de presión de 10 a 20 GPa para CdZnSe, lo que lo representa como un material dúctil en este rango pero frágil a baja presión y por encima del rango de presión de 20 GPa. La presión de Cauchy (CP) y el índice de Poisson (σ) actúan de la misma manera para determinar las características mecánicas de un material. Cuando el CP de un material es positivo, entonces se considera que el material tiene naturaleza dúctil, mientras que si los valores de CP son negativos, entonces el material actúa como frágil35. En el presente estudio de CdZnSe, los valores de CP son negativos, lo que muestra que el material es frágil bajo diferentes presiones. Además, se dice que un material es isotrópico si su factor anisotrópico (A) es uno; en caso contrario, es material anisotrópico. Según los valores calculados en la Tabla 2, CdZnSe es un material anisotrópico, que tiene un factor anisotrópico mayor que 1 con una presión variable de 0 a 25 GPa. La Tabla 2 resume las propiedades mecánicas, incluido el módulo de volumen, el módulo de corte, la relación de Pugh, el factor de anisotropía, el módulo de Young, la presión de Cauchy y la relación de Poisson.

A diversas presiones a lo largo del camino en la zona de Brillouin, que tiene un mayor número de puntos de simetría máximos, se analizan las características electrónicas, particularmente las estructuras de bandas y la densidad de estados (DOS). La capacidad de un material para examinar y comprender el comportamiento eléctrico bajo presión ayuda a anticipar la apropiación del material para aplicaciones específicas basadas en dispositivos. La influencia de la presión en las estructuras de la banda se ha ilustrado utilizando los funcionales GGA, mBJ y EV-GGA en un rango de presión variable de 0 a 25 GPa, mientras que la influencia de la presión en los parámetros de la red se exploró inicialmente utilizando GGA y se aplicó a la banda. cálculos de estructura. El estudio de la estructura de la banda muestra que la aleación Cd0.25Zn0.75Se exhibe una naturaleza de banda prohibida directa en todos los rangos de presión aplicados. En vista del hecho de que GGA es comúnmente conocido por subvaluar los valores de banda prohibida36, para abordar esta subestimación de los valores de banda prohibida, Engel y Vosko establecieron una nueva formulación de GGA funcional que produce un mejor potencial de intercambio y replica la banda prohibida electrónica que GGA, y es denominado EV-GGA37. Como consecuencia, evaluamos los hallazgos de EV-GGA y los equiparamos con los resultados de mBJ; no obstante, los resultados de estos cálculos teóricos demuestran que, a pesar de las diferencias en los anchos de banda, las propiedades esenciales de la estructura de bandas de un material siguen siendo las mismas. Los mínimos de la banda de conducción (CBM) y los máximos de la banda de valencia (VBM) se colocan en posiciones similares del espacio k, lo que indica la naturaleza de esta aleación como un material de banda prohibida directa, con una energía de banda prohibida que oscila entre 2,37 y 3,11 eV dentro del potencial mBJ. Las estructuras de bandas predichas dentro de los funcionales, incluidos GGA, mBJ y EV-GGA, siguen un patrón similar, con solo una diferencia en el valor de la energía de división de la banda. Como el patrón de las estructuras generadas se mantuvo constante y la apariencia general coincidió estrechamente, las estructuras de bandas se muestran únicamente dentro del potencial mBJ, como se ve en la Fig. 2.

Las estructuras de bandas del semiconductor Cd0.25Zn0.75Se bajo la influencia de altas presiones se aproximan dentro de mBJ.

Las estructuras de bandas pueden estudiarse en profundidad analizando la densidad de estados y también pueden usarse para determinar la naturaleza del material, ya sea un semiconductor o un metal. La Figura 1 muestra la densidad total y parcial de estados para el semiconductor Cd0.25Zn0.75Se considerando la influencia del efecto de presión. Se puede observar claramente una influencia significativa de la presión de las bandas de valencia y de conducción sobre la densidad electrónica de estado (DOS); sin embargo, la influencia de la presión es más prominente en el electrón DOS causada por los electrones de la banda de valencia. La densidad de los electrones de la banda de valencia está significativamente influenciada por la presión, y el pico que aparece en -4 eV se desplaza a un valor de energía más bajo de -5,3 eV. La intensidad máxima también cae, correspondiendo la intensidad máxima máxima a la presión cero. En general, cuando se aplica presión y se tiene en cuenta su impacto, la intensidad de la altura del pico comienza a caer a medida que aumenta la presión, mientras que el patrón general y la tendencia de DOS siguen siendo idénticos, con la única diferencia de un cambio hacia energías más bajas. . Cuando se aplica presión, la densidad de estados generados está dominada por los electrones en la banda de conducción y no tiene ninguna influencia sustancial. En la Fig. 1d se agrega una inserción de la banda de conducción cerca del zoom de la región del nivel de Fermi para demostrar la fluctuación en el valor de la banda prohibida a medida que aumenta la presión, y se observa una expansión con un aumento de los valores de presión, lo que confirma el aumento en la energía de la banda prohibida. Las Figuras 1e, f muestran el PDOS de los átomos de cadmio (Cd) y zinc (Zn) a una presión de 0 y 10 GPa, respectivamente. El PDOS de cada elemento varía considerablemente, particularmente en la banda de valencia, que se caracteriza por estados Cd-s, d, estados Se-s y estados Zn–s, p, mientras que la banda de conducción está dominada por Cd-s, p. y estados Zn-p. La presión hace que la altura máxima en la banda de conducción caiga, lo que resulta en un cambio hacia valores de energía bajos.

Las bandas de impurezas se forman en la banda de valencia cuando los átomos de Cd se incorporan a la supercélula de ZnSe con átomos de Zn, lo que potencia su degeneración al aumentar la presión. A alta presión, las bandas de impurezas demuestran la alta energía de banda prohibida al cambiar hacia valores de energía más bajos. Además, debido a que están más deslocalizadas, se observa que la banda de valencia está más dispersa en comparación con la banda de conducción, y la presión aumenta el ancho de banda de valencia pero no tiene ningún efecto sustancial sobre el ancho de banda de conducción. Generalmente, el material semiconductor muestra menos comportamiento iónico cuando el ancho de banda de la banda de valencia aumenta, lo que implica que el carácter iónico de la aleación Cd0,25Zn0,75Se disminuye bajo presión. Los máximos de la banda de valencia se mueven en orden descendente al aplicar presión, mientras que los mínimos de la banda de conducción se mueven hacia arriba, lo que implica que la banda prohibida aumenta con la presión. Estos hallazgos para estructuras de banda a presión cero son consistentes con el valor reportado experimentalmente de 2,27 eV20 y los valores teóricos de 0,76 eV y 0,83 eV21 aproximados dentro de GGA y LDA, lo que nos motiva a ajustar la banda prohibida utilizando mejores funciones para superar la subestimación de GGA y representar la viabilidad de este material de aleación para posibles aplicaciones optoelectrónicas y fotovoltaicas. La banda prohibida informada de esta aleación ternaria muestra un potencial para fabricar dispositivos que pueden usarse en energía fotovoltaica espacial bajo temperaturas y presiones variables a alturas de altitud específicas. La Figura 3a representa una comparación de los valores de energía de banda prohibida calculados dentro de diferentes funcionales (GGA, EV-GGA y mBJ).

Variación inducida por la presión en (a) banda prohibida y (b) función dieléctrica estática.

En los campos de la optoelectrónica y la fotónica, las interacciones radiación-materia son de gran interés. Cuando se produce la interacción luz-materia, se observan fenómenos como reflexión, refracción, absorción y transmisión, y el comportamiento del material se rige esencialmente por la frecuencia de la luz de iluminación. El fotón entrante provoca las probabilidades de transición de un electrón entre estados ocupado y desocupado, emitiendo la longitud de onda de luz debido a estas excitaciones, que pueden definirse mediante densidades conjuntas. Para analizar la respuesta lineal del sistema, se puede emplear una función dieléctrica compleja38 que se puede escribir como:

donde \({\varepsilon }_{1}\left(\omega \right)\) representa lo real, y \({\varepsilon }_{2}\left(\omega \right)\) representa el componente imaginario de la función dieléctrica compleja. Esta función compleja proporciona estadísticas importantes sobre la polarización del material objeto de estudio y se representa con la ayuda de la constante dieléctrica estática, \({\varepsilon }_{1}\left(0\right)\), que significa la Función dieléctrica a frecuencia cero. Los componentes real e imaginario de una función dieléctrica compleja pueden aproximarse siguiendo las transformaciones de Kramers-Kronig39.

La densidad conjunta de estados, así como la matriz de momento, se denotan por ω′ y P, respectivamente.

La función dieléctrica depende de la energía de los fotones entrantes y también se puede emplear para calcular constantes ópticas como el coeficiente de extinción y el índice de refracción. El índice de refracción es una medida de cuánta luz se ralentiza cuando ingresa a un material y depende de la frecuencia de la luz entrante38. El índice de refracción y el coeficiente de extinción se pueden calcular como:

El coeficiente de extinción se puede utilizar para regular la absorción del medio óptico38, que se puede utilizar para analizar la decadencia de la luz por unidad de distancia en el medio material, que se puede expresar matemáticamente como:

El comportamiento de la superficie del material también se puede examinar midiendo el espectro de reflexión38, descrito matemáticamente como:

La conductancia óptica38 es una medida cuantitativa sin contacto que se puede calcular utilizando componentes imaginarios de la función dieléctrica. La componente real de la conductancia óptica se puede expresar de la siguiente manera:

La función de pérdida de energía38 de los electrones se puede calcular de la siguiente manera:

El modelo de Penn40 se utiliza para determinar la relación entre la energía de banda prohibida del material (\({\mathrm{\rm E}}_{\mathrm{g}}),\) y el componente real de una función dieléctrica \(\left( {\upvarepsilon }_{1}\left(0\right)\right).\)

donde la energía del plasma denotada con \(\hslash {\omega }_{p}\) se rige por \({\omega }_{p}\) (frecuencia del plasma).

Investigamos las propiedades ópticas del semiconductor Cd0.25Zn0.75Se para la radiación de luz entrante de 40 eV dentro de mBJ utilizando una malla de punto k más densa con simetría de cristal cúbico para el rango de presión de 0 a 25 GPa. La función dieléctrica compleja se representa en la Fig. 4 y se observa un aumento significativo en el componente real de la función dieléctrica con una pequeña caída y un aumento abrupto a los valores máximos máximos se puede observar en la Fig. 4a. Además, se observaron las transiciones máximas del rango de energía de 3,95 a 6,50 eV con el aumento de la presión y la altura máxima, así como un cambio hacia valores más altos de \({\varepsilon }_{1}\left(\omega \right)\) también observado. Debido a que toda la radiación incidente se refleja, el material funcional muestra características metálicas por debajo de valores de unidad cero para el rango de radiación de iluminación de 7,63 a 16,88 eV, lo que demuestra que el material investigado es útil en la aplicación de un protector para el vacío y la radiación ultravioleta.

Cambio en la función dieléctrica influido por la presión, (a) componente real y (b) componente imaginario.

Después de 16,80 eV, el valor del componente real se vuelve positivo; lo que indica que este material semiconductor permanece inalterado en presencia de radiación entrante de alta energía y, por tanto, puede emplearse en lentes ópticas. Sin embargo, la deriva general de la función dieléctrica sigue siendo idéntica independientemente del aumento en la altura del pico con la variación de presión. También se observa que el índice estático, es decir, la constante dieléctrica estática, aumenta con el impacto de la presión. Los valores propios de energía correspondientes a los orbitales s, p y d se encuentran en la región más alta con un aumento en la presión y la banda prohibida, por lo que el valor más bajo para la función dieléctrica estática a una frecuencia de irradiación de cero corresponde a una presión cero. Con el aumento de la presión, aumenta la movilidad del portador de carga y la tasa de salto41. Por lo tanto, la polarización dieléctrica aumenta, provocando un aumento en la constante dieléctrica como se muestra en la Fig. 3b. Las energías umbral del componente de la función dieléctrica imaginaria se ilustran en la Fig. 4b, que corresponde a las transiciones directas entre bandas de la banda de valencia más alta y la banda de conducción más baja (estados Cd-s, d, Zn-p y Se-s) (Cd- estados s, p y Se-p). Por encima de estos umbrales, hay un rápido aumento en los valores de los componentes imaginarios hasta 6,37 eV de radiación entrante. Además, se identifican tres picos principales entre el rango del umbral de absorción y 8 eV de radiación entrante, y la altura de estos picos aumenta al aumentar la presión. A presión cero, se ve el valor umbral más bajo y aumenta a medida que aumenta la presión. También se observa que la altura del pico aumenta de 12,84 a 16,29 unidades y cambia hacia valores de energía más altos bajo la influencia de la presión. Se detecta un espectro estático a 13,51 eV de energía entrante, lo que representa una respuesta estática de los espectros a valores más altos de radiación entrante.

El espectro de absorción se muestra en la Fig. 5, que depende en gran medida del componente imaginario de la función dieléctrica \([{\varepsilon }_{2}\left(\omega \right)]\). El componente imaginario de la función dieléctrica se correlaciona bien con el coeficiente de absorción. El patrón general de la parte imaginaria de la función dieléctrica compleja y el coeficiente de extinción, que se utilizan para demostrar el espectro de absorción, siguen un patrón idéntico bajo el efecto de la presión, por lo que se observa una pequeña fluctuación escalonada en el espectro de absorción. Además, bajo la influencia de la presión, observamos que las curvas son similares con pequeños desplazamientos, que se deben únicamente a los desplazamientos de las bandas sin ningún cambio de topología, y que esta aleación ternaria mantiene su estabilidad en el rango de presión aplicada. El aumento de absorción del material funcional oscila entre 174,79 y 201,28 unidades, correspondiendo el pico de absorción máximo a una presión de 25 GPa. Este material presenta una fuerte absorción por encima de 8,10 eV de radiación entrante y su absorción aumenta a medida que aumentan los valores de presión. Se registra una tendencia estacionaria por encima de 30 eV de radiación entrante; sin embargo, para fotones de menor energía, que tienen menos energía que la energía de banda prohibida, no se observan espectros de absorción. En el rango de energía de 6,10 a 28,92 eV, se observan valores de absorción más altos, con picos adicionales resultantes de transiciones electrónicas de la banda de valencia. Además, el cambio máximo hacia valores más altos también se observa en la región UV. La Figura 5 muestra que la presión aumenta considerablemente la absorción óptica y desplaza la altura del pico hacia valores más altos.

Cambio en la absorción bajo la influencia de la presión.

Las propiedades ópticas de un material cambian con la frecuencia cambiante; sin embargo, el material de aleación objeto de estudio tiene simetría cúbica, por lo que tiene el mismo valor de refracción en ambas direcciones transversales. La Figura 6 muestra el índice de refracción n (ω), que aumenta al aumentar la presión y muestra nuevos picos en el rango de radiación entrante de 4,05 a 7,50 eV. La Figura 6a muestra el patrón de cambio en n (0) bajo el impacto de la presión, con valores que cambian de 3,82 a 3,31 unidades, y el espectro a 28 eV muestra el comportamiento estático del material. A medida que la energía umbral aumenta el coeficiente de extinción, la altura del pico extremo también aumenta con la presión, como se ve en la Fig. 6b. Los picos principales fluctúan de 2,59 a 2,24 unidades bajo presión y no detectan ningún espectro para el coeficiente de extinción \(k\left(\omega \right),\) más allá de 29,50 eV de energía de radiación, ya que este material no tiene interacción con alta energía. fotones que tienen una energía superior a 29,50 eV, lo que da como resultado un espectro de absorción óptica insignificante para los fotones incidentes. Bajo el efecto de presión, se observa una tendencia general creciente en el coeficiente de refracción y extinción, lo que es consistente con los hallazgos de otras constantes ópticas como se discutió anteriormente.

Cambio en el índice complejo de refracción bajo la influencia de la presión, (a) índice de refracción y (b) coeficiente de extinción.

Siempre que la energía de los fotones entrantes sea menor que la energía de la banda prohibida, se mide que la conductancia óptica es cero. Con un aumento de presión, el espectro de conductancia muestra un rápido aumento, mientras que la altura del pico aumenta de 9,58 a 13,36 unidades. Se encuentran nuevos picos en el rango de 5,20 a 10,05 eV, con una respuesta estática a 28,22 eV de radiación entrante bajo el impacto de la presión aplicada. La Figura 7 representa el cambio de conductancia óptica bajo la influencia de la presión aplicada. Este material semiconductor muestra una alta conductancia óptica de 13,36 unidades a 25 GPa, comparable a 6,59 eV de radiación entrante. Exhibe un alto rango de conductancia de 5,20 a 10,05 eV de luz entrante, lo que indica que es principalmente ópticamente activo en este rango de energía. Se observa que un aumento de presión tiene una dependencia directa de la parte real de la conductancia óptica.

Cambio en la conductancia óptica bajo el efecto de la presión.

La Figura 8 ilustra un aumento abrupto en la reflexión con la energía del fotón incidente, así como con la presión. Se observa que el desplazamiento de los picos se mueve hacia valores de rango alto, lo que está vinculado al amplio espectro, mientras que la alta presión también influye en la altura del pico, que continúa aumentando. Se detectan jorobas de espectros de reflexión nuevos y dispersos en el rango de luz entrante de 10,10 a 27,50 eV. Con valores de 0,52, la reflectividad máxima se mide a una presión alta de 25 GPa. El valor de reflexión aumenta con la presión y el índice estático de reflexión aumenta de 0,156 a 0,167 como resultado del impacto de la presión. También se observan nuevos picos en el rango de energía de radiación entrante de 10,11 a 27,50 eV.

Cambio de reflectancia bajo el efecto de la presión.

Debido a que no se produce dispersión de electrones a energías inferiores a la energía de banda prohibida, la función de pérdida de energía es 0 y no se detectan espectros. La dispersión inelástica de electrones por encima de la energía de banda prohibida produce el espectro L(\(\upomega\)), que es proporcional a la radiación entrante. La función de pérdida de energía más alta se observa a una presión de 25 GPa con un valor de 11,98 eV, como se ve en la Fig. 9, y disminuye a medida que disminuye la influencia de la presión. Se informa que la función de pérdida de energía de los electrones es muy pequeña por debajo de 4,51 eV y por encima de 29,86 eV de energía de fotón entrante, lo que representa un patrón estático. Los picos principales se detectan en la región de 10,02 a 28,46 eV de radiación entrante. Se ve que la altura del pico se mueve hacia un valor L(\(\upomega\)) mayor cuando se aplica presión, y la función de energía electrónica más alta corresponde a valores de presión más altos.

Cambio en la función de pérdida de energía bajo el efecto de la presión.

El presente estudio obtuvo propiedades optoelectrónicas de un semiconductor ternario Cd0.25Zn0.75Se bajo la influencia de la presión utilizando el método FP-LAPW dentro de DFT. En todos los rangos de presión, esta aleación funcional presenta una simetría cúbica y es mecánicamente estable. Las propiedades semiconductoras del material investigado fueron confirmadas por las estructuras de bandas y la densidad de estados del material, que muestran que la banda prohibida aumenta con el componente de presión. El ancho de la banda de valencia se expande, mejorando el carácter covalente y provocando una disminución de la ionicidad con un aumento de la presión. También se investigan las características ópticas isotrópicas y se detecta que las posiciones de los puntos críticos se mueven hacia energías más altas bajo la influencia de la presión. Se ve que la tendencia máxima no cambia, excepto que las alturas máximas de la función dieléctrica, tanto en la parte real como en la imaginaria, han aumentado. También se observa que la conductancia óptica y la absorción aumentan bajo presión, lo que implica que esta aleación se puede utilizar en la fabricación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos que funcionan en el espectro de luz visible a violeta a distintas presiones y altitudes.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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MAI agradece a la Dra. Jessica Yajie Jiang, profesora de la Escuela de Ingeniería de Energía Fotovoltaica y Renovable de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, por su fructífero debate y comentarios para mejorar este artículo, y también reconoce el apoyo brindado por el Consejo de Becas de China. (CSC) del Ministerio de Educación de la República Popular China y la Universidad de Zhejiang, China.

Este estudio cuenta con el apoyo de la subvención de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) ofrecida por el gobierno coreano (MSIT) (No.: NRF-2021R1F1A1062849) para cubrir los cargos de publicación en acceso abierto de este artículo.

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Jeong Ryeol Choi

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Conceptualización, AMI; metodología, AMI; análisis formal, AMI; redacción: preparación del borrador original, MAI y MM; redacción: revisión y edición, MAI, MM, WS, SIACA, KM, RYC, PVP y JRC; administración de proyectos, MAI; financiación, MAI y JRC. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Muhammad Aamir Iqbal o Jeong Ryeol Choi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Iqbal, MA, Malik, M., Shahid, W. et al. Estudio ab-initio de las propiedades elásticas, mecánicas y optoelectrónicas influenciadas por la presión de la aleación Cd0.25Zn0.75Se para energía fotovoltaica espacial. Informe científico 12, 12978 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17218-8

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Recibido: 12 de mayo de 2022

Aceptado: 21 de julio de 2022

Publicado: 28 de julio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17218-8

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