Recomandați documente

Accesul abonaților asigurat de Biblioteca Universității din Gothenburg

calcogenură

CsCu5Se3: Un semiconductor ternar de calcogenidă bogat în cupru cu decalaj de bandă aproape direct pentru aplicații fotovoltaice Zhiguo Xia, Huajing Fang, Xiuwen Zhang, Maxim S. Molokeev, Romain Gautier, Qingfeng Yan, Su-Huai Wei și Kenneth R. Poepme. Mater., Manuscris acceptat doar • DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b05104 • Data publicării (Web): 12 ianuarie 2018 Descărcat de pe http://pubs.acs.org pe 12 ianuarie 2018

Pagina 1 din 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Chimia materialelor

CsCu5Se3: Un semiconductor ternar de calcogenură bogat în cupru cu decalaj de bandă aproape directă pentru aplicații fotovoltaice Zhiguo Xia, *, †, Huajing Fang, §, ‡ Xiuwen Zhang, * ┴ Maxim S. Molokeev, ◊, ♀, ¶ Romain Gautier, # Qingfeng Yan, § Su-Huai Wei, ∆ Kenneth R. Poeppelmeier *, ₸ †

Laboratorul municipal cheie din Beijing pentru materiale și tehnologii noi pentru energie, Școala de științe și inginerie a materialelor, Universitatea de Științe și Tehnologie Beijing, Beijing, 100083, China § Departamentul de Chimie, Universitatea Tsinghua, Beijing, 100084, China ┴ College of Electronic Science and Tehnologie, Universitatea Shenzhen, Guangdong 518060, China ◊ Laboratorul de Fizică a Cristalelor, Institutul de Fizică Kirensky, Centrul Federal de Cercetare KSC SB RAS, Krasnoyarsk 660036, Rusia ♀ Departamentul de Fizică, Universitatea de Transport a Statului de Extrem Orient, Khabarovsk, 680021 Rusia ¶ Universitatea Federală Siberiană, Krasnoyarsk, 660041, Rusia # Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), Université de Nantes, CNRS, 2 rue de la Houssinière, BP 32229, 44322 Nantes, Cedex 03, France ∆ Beijing Computational Science Research Centre, Beijing, 100094, China ₸ Departamentul de Chimie, Universitatea Northwestern, 2145 Sheridan Road, Evanston, Illinois 60208-3113, Statele Unite

Informații de sprijin REZUMAT: Descoperirea de noi candidați cu semiconductori cu goluri de bandă adecvate este o provocare pentru aplicația optoelectronică. Este raportată o sinteză solvotermală facilă a unui nou semiconductor ternar de calcogenură CsCu5Se3. Se prevede, de asemenea, că teluridul CsCu5Te3 va fi stabil. CsCu5Se3 este izostructural cu CsCu5S3 (grup spațial-Pmma). Calculele gap de bandă ale acestor semiconductori de calcogenide utilizând teoria funcțională a densității hibride indică goluri de bandă aproape directe, iar valorile lor (aproximativ 1,4 eV) au fost confirmate prin spectroscopie de absorbție optică. Aceste calcogenide de cupru din metale alcaline sunt exemple interesante de structuri bogate în cupru, care sunt asociate în mod obișnuit cu aplicații fotovoltaice favorabile.

INTRODUCERE Descoperirea în laborator a compușilor produși până acum oferă oportunități pentru studii fundamentale de 1-4 funcționalități relevante tehnologic. Dintre diferitele familii de materiale funcționale, semiconductorii cu goluri ale benzii energetice (de exemplu) 5 în jurul valorii de 1.3

1,5 eV sunt esențiale pentru conversia energiei solare. De exemplu, Si elementar și GaA binare, ambele bine cunoscute, 6 au spații de bandă adecvate pentru aplicații fotovoltaice. Cu toate acestea, aceste materiale continuă să motiveze căutarea de materiale și dispozitive optoelectronice mai eficiente. În acest context, diferite calcogenide pe bază de cupru au fost recent în centrul interesului. Acest grup de materiale este format dintr-un număr relativ mare de 7-9 faze binare, ternare și multinare. În special, s-a prezis că unii compuși din grupul I-I-VI pe bază de cupru sunt stabili utilizând densitatea 10 bazată pe funcționalitatea termodinamicii primelor principii. Folosind aceste previziuni, noua fază RbCuTe ar putea fi pregătită 11 dezvăluind un nou tip de material anorganic tolerant la tulpini, care ne-a inspirat în continuare să studiem alte noi calcogenuri de cupru din grupa 12 I-I-VI.

Abordările sintetice bazate pe soluții, cum ar fi calea solvotermală, nu numai că pot oferi căi de reacție și termo-chimice total diferite în comparație cu reacțiile în stare solidă, dar oferă și procese convenabile, de chimie moale, capabile să creeze materiale vizate cu desira13,14 Pentru forme, dimensiuni și compoziții metalice alcaline. calcogenurile de cupru, doar câteva exemple, cum ar fi NaCu5S3 sau KCu7S4, au fost preparate în condiții hidrotermale15, 16 tions. În acest studiu, a fost întreprinsă o teorie și o investigație experimentală pentru a descoperi noi calcogenide de cupru din grupul II-VI A-Cu-X (A = Li, Na, K, Rb și Cs; X = S, Se și Te) și noul compusul CsCu5Se3 izostructural pentru CsCu5S3 a fost izolat. Prezentăm în continuare calcule ale celor trei calcogenide CsCu5X3 (X = S, Se, Te) pentru a obține o evaluare preliminară a proprietăților lor optice. Această lucrare ilustrează modul în care metodele bazate pe soluții pot viza faze și compoziții specifice care nu sunt ușor pregătite prin reacție în stare solidă.

SECȚIUNEA EXPERIMENTALĂ Materiale și pregătire. Toate substanțele chimice sunt disponibile comercial și au fost utilizate fără purificare suplimentară, CsOH · H2O (99,5%, Alfa Aesar), Cu2S (99,5%, Alfa Aesar), Cu2Se (99,5%, Alfa Aesar), Thiourea (99% +, SigmaAldrich ), Difenil diselenidă (98% +, Sigma-Aldrich) și etanediamină (≥ 99%, Sigma-Aldrich). Microcristalele CsCu5S3 și CsCu5Se3 au fost sintetizate prin metoda solvotermală cu etanediamină ca solvent. Într-o procedură tipică implementată pentru sinteza CsCu5Se3, 3,125 mmol Cu2Se, 0,625 mmol difenil diselenidă, 12,5 mmol CsOH · H2O (stoichiometrie excesivă de 10 ori) și 6 ml etanediamină s-au adăugat într-un dreptunghi de 3 × 1,75 țoli Tef-

Mediul ACS Paragon Plus

Chimia materialelor 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

triunghiurile (Figura 1 (d) și (e)) sunt responsabile pentru diferența dintre δa și δc.

Figura 1. Structura cristalină și profilurile de rafinare Rietveld ale (a) CsCu5S3 și (b) CsCu5Se3, (c) diagrama structurii stratificate a CsCu5X3 și (d, e) prezintă un contrast al structurilor fine cu anioni diferiți pentru cei doi compuși.

Tabelul 1. Principalii parametri de procesare și rafinament ai compusului CsCu5X3 (X = S, Se) Sp.Gr. a, Å b, Å c, Å V, Å3 Z 2θ-interval, º Rwp,% R p,% Rexp,% χ2 RB,%

CsCu5Se3 Pmma 9.9909 (3) 4.0978 (1) 9.0071 (3) 368,76 (2) 2 5-110 2,39 1,78 1,62 1,47 0,57

Tabelul 2. Coordonatele atomice fracționate și parametrii de deplasare izotropă (Å2) ai CsCu5X3 (X = S, Se)

REZULTATE SI DISCUTII

Cristalografie/Aspecte structurale. În modelele XRD, toate vârfurile înregistrate pentru fazele CsCu5S3 și CsCu5Se3 pregătite au fost indexate utilizând modelul structural 24 raportat anterior al CsCu5S3. Datele de difracție a pulberii din fazele CsCu5S3 și CsCu5Se3 pregătite au fost analizate în continuare prin rafinamentul Rietveld. (Figura 1a și 1b). Parametrii structurii cristaline și detaliile rafinamentului, precum și coordonatele atomice fracționate și parametrii de deplasare izotropă, sunt enumerați în Tabelul 1 și Tabelul 2. Fișierele de informații cristalografice (CIF) ale CsCu5S3 și CsCu5Se3 sunt prezentate în Informațiile suport (SI) ). Insectele din Figura 1a și 1b prezintă structura cristalină reprezentativă cu același grup spațial Pmma. Ambele CsCu5X3 (X = S, Se) prezintă o structură stratificată, așa cum se arată în Figura 1c. Ionii de cesiu sunt localizați între straturile adiacente CuX3 (X = S, Se). Se arată că parametrii celulei cresc inegal când se înlocuiește S cu Se: δa = 3,68%, δb = 3,62%, δc = 0,65%. Unghiul crescut între planurile care trec prin CuX3

CsCu5S3 Pmma 9.6365 (3) 3.9547 (2) 8.9490 (2) 341.04 (2) 2 5-110 3.98 2.68 1.51 2.64 2.36