vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestifm-220Research ArticleФИЗИКАPHYSICSКОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЗОН И ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДИХАЛЬКОГЕНИДОВ ОЛОВАCOMPUTER SIMULATION OF ENERGETIC BANDS AND OPTICAL PARAMETERS OF TIN DICHALCOGENIDESШапошниковВ. Л.ShaposhnikovV, L,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

victor.shaposhnikov@gmail.comКривошееваА. В.KrivosheevaA. V.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Ph. D. (Physics and Mathematics), Senior researcher

anna@nano.bsuir.edu.byБорисенкоВ. Е.BorisenkoV. E.

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедроймикро- и наноэлектроники

Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor

borisenko@bsuir.byБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics201620012017049097Copyright © Шапошников В.Л., Кривошеева А.В., Борисенко В.Е., 20172017Шапошников В.Л., Кривошеева А.В., Борисенко В.Е.Shaposhnikov V.L., Krivosheeva A.V., Borisenko V.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/220

Методами квантово-механического моделирования установлены зонная структура и оптические свойства объема и одного мономолекулярного слоя дихалькогенидов олова – SnS2, SnSe2 и SnTe2. Показано, что первые два соединения в объеме являются непрямозонными полупроводниками, в то время как SnTe2 – бесщелевой полупроводник. При увеличении порядкового номера атома халькогена рассмотренные соединения демонстрируют увеличение постоянных решетки и межатомного расстояния, а также уменьшение ширины запрещенной зоны с 2,4 до 0 эВ. При переходе от объемного материала к одному мономолекулярному слою структурные параметры практически не изменяются; наблюдается пропорциональный рост величины энергетического зазора, в результате чего SnTe2 становится узкозон-ным полупроводником с шириной запрещенной зоны 0,17 эВ. Из исследованных соединений наиболее интересным с точки зрения практического использования является диселенид олова SnSe2 благодаря подходящей для применения в фотовольтаике ширине запрещенной зоны (1,0–1,5 эВ) и значениям коэффициента поглощения вблизи края собственного поглощения более 105 см–1. Также большой интерес представляют тройные растворы замещения, варьирование химического состава которых позволяет изменять в широком диапазоне электронную структуру и оптические свойства материалов.

The band structure and optical properties of the bulk and one monolayer of SnS2, SnSe2, and SnTe2 were established by means of ab initio theoretical modeling. The first two bulk compounds were found to be indirect gap semiconductors, while SnTe2 behaves like a gapless semiconductor. As the atomic number of chalcogen is increased, the compounds considered show an increase in lattice constants and interatomic distances, as well as a decrease in the band gap from 2.4 to 0 eV. Upon transition from the bulk material to a single monolayer, the structural parameters remain practically unchanged. There is a proportional increase in the energy gap, whereby SnTe2 becomes a narrow-gap semiconductor with a band gap of 0.17 eV. The most interesting compound according to a practical use is tin diselenide SnSe2 due to the band gap (1.0–1.5 eV) and the absorption coefficient near the absorption edge more than 105 cm‑1 that are appropriate for photovoltaics. Ternary tin dichalcogenides are also of great interest as the variation of the chemical composition of the latter allows modifying the electronic structure and the optical properties in a wide range.

дихалькогениды оловазонная структураширина запрещенной зоныкоэффициент оптического поглощениясолнечный элементtin dichalcogenidesband structureband gapabsorption coefficientsolar cellReferencesHigh-efficient low-cost photovoltaics: recent developments / ed. V. Petrova-Koch, R. Hezel, A. Goetzberger. Springer-Verlag: Berlin-Heidelberg. – 2008. – Vol. 140. – 228 p.High-efficient low-cost photovoltaics: recent developments / ed. V. Petrova-Koch, R. Hezel, A. Goetzberger. Springer-Verlag: Berlin-Heidelberg. – 2008. – Vol. 140. – 228 p.Madelung, O. Semiconductors: data handbook / O. Madelung. – Springer Berlin Heidelberg, 2004. – 691 p.Madelung, O. Semiconductors: data handbook / O. Madelung. – Springer Berlin Heidelberg, 2004. – 691 p.Thermoelectrics with earth abundant elements: low thermal conductivity and high thermopower in doped SnS / Q. Tan [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2014. – Vol. 2. – P. 17302–17306.Thermoelectrics with earth abundant elements: low thermal conductivity and high thermopower in doped SnS / Q. Tan [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2014. – Vol. 2. – P. 17302–17306.Monodisperse SnS2 nanosheets for high-performance photocatalytic hydrogen generation / J. Yu [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2014. – Vol. 6. – P. 22370–22377.Monodisperse SnS2 nanosheets for high-performance photocatalytic hydrogen generation / J. Yu [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2014. – Vol. 6. – P. 22370–22377.Interconnected tin disulfide nanosheets grown on graphene for Li-ion storage and photocatalytic applications / P. Chen [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2013. – Vol. 5, N 22. – P. 12073–12082.Interconnected tin disulfide nanosheets grown on graphene for Li-ion storage and photocatalytic applications / P. Chen [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2013. – Vol. 5, N 22. – P. 12073–12082.Controlled synthesis and possible formation mechanism of leaf-shaped SnS2 nanocrystals / D. Ma [et al.] // Mater. Chem. Phys. – 2008. – Vol. 111, N 2. – P. 391–395.Controlled synthesis and possible formation mechanism of leaf-shaped SnS2 nanocrystals / D. Ma [et al.] // Mater. Chem. Phys. – 2008. – Vol. 111, N 2. – P. 391–395.Novel synthesis and high visible light photocatalytic activity of SnS2 nanoflakes from SnCl2·2H2O and S powders / Y. C. Zhang [et al.] // Appl. Catal. B. – 2010. – Vol. 95, N 1. – P. 153–159.Novel synthesis and high visible light photocatalytic activity of SnS2 nanoflakes from SnCl2·2H2O and S powders / Y. C. Zhang [et al.] // Appl. Catal. B. – 2010. – Vol. 95, N 1. – P. 153–159.Freestanding tin disulfide single-layers realizing efficient visible-light water splitting / Y. Sun [et al.] // Angew. Chem. Int. Ed. – 2012. – Vol. 51, N 35. – P. 8727–8731.Freestanding tin disulfide single-layers realizing efficient visible-light water splitting / Y. Sun [et al.] // Angew. Chem. Int. Ed. – 2012. – Vol. 51, N 35. – P. 8727–8731.Ultrathin SnS2 nanosheets with exposed {0 0 1} facets and enhanced photocatalytic properties / R. Wei [et al.] // Acta Mater. – 2014. – Vol. 66. – P. 163–171.Ultrathin SnS2 nanosheets with exposed {0 0 1} facets and enhanced photocatalytic properties / R. Wei [et al.] // Acta Mater. – 2014. – Vol. 66. – P. 163–171.Field effect transistors with layered two-dimensional SnS2–xSex conduction channels: effects of selenium substitution / T. Pan [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103, N 9. – P. 093108 (5 pp).Field effect transistors with layered two-dimensional SnS2–xSex conduction channels: effects of selenium substitution / T. Pan [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103, N 9. – P. 093108 (5 pp).High-performance top-gated monolayer SnS2 field-effect transistors and their integrated logic circuits / H. S. Song [et al.] // Nanoscale. – 2013. – Vol. 5, N 20. – P. 9666–9670.High-performance top-gated monolayer SnS2 field-effect transistors and their integrated logic circuits / H. S. Song [et al.] // Nanoscale. – 2013. – Vol. 5, N 20. – P. 9666–9670.Kresse, G. Efficient interactive schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set / G. Kresse, J. Furthmüller // Phys. Rev. B. – 1996. – Vol. 54, N 16. – P. 11169–11186.Kresse, G. Efficient interactive schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set / G. Kresse, J. Furthmüller // Phys. Rev. B. – 1996. – Vol. 54, N 16. – P. 11169–11186.Perdew, J. P. Generalized gradient approximation made simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 77, N 18. – P. 3865–3868.Perdew, J. P. Generalized gradient approximation made simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 77, N 18. – P. 3865–3868.WIEN2k, An augmented plane wave + local orbitals program for calculating crystal properties / P. Blaha [et al.]. – Karlheinz Schwarz, Techn. Universität Wien, Austria, 2001. – 258 p.WIEN2k, An augmented plane wave + local orbitals program for calculating crystal properties / P. Blaha [et al.]. – Karlheinz Schwarz, Techn. Universität Wien, Austria, 2001. – 258 p.Tran, F. Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential / F. Tran, P. Blaha // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 102, N 22. – P. 226401 (4 pp).Tran, F. Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential / F. Tran, P. Blaha // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 102, N 22. – P. 226401 (4 pp).Theoretical study of defect impact on two-dimensional MoS2 / A. V. Krivosheeva [et al.]. // J. Semiconductors. – 2015. – Vol. 36, N 12. – P. 122002 (6 pp).Theoretical study of defect impact on two-dimensional MoS2 / A. V. Krivosheeva [et al.]. // J. Semiconductors. – 2015. – Vol. 36, N 12. – P. 122002 (6 pp).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.