Tese
Estudo teórico-computacional das propriedades eletrônicas, ópticas e ferroelétricas dos compostos multifuncionais R3c AFeO3 (A= Sc ou In)
Registro en:
SOUZA, Jonathan Silva. Estudo teórico-computacional das propriedades eletrônicas, ópticas e ferroelétricas dos compostos multifuncionais R3c AFeO3 (A= Sc ou In). 2023. 105 f. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2023.
Autor
Souza, Jonathan Silva
Institución
Resumen
The search for materials with adequate ferroelectric and photovoltaic properties is an
intense field of research in Physics of Materials. Employing calculations based on noncollinear spin density functional theory, we investigate the electronic, optical and
ferroelectric properties of the multifunctional R3c AFeO3 (A = Sc or In) compounds.
The main objective of this study is to better understand, from the point of view of
fundamental properties, the potential of these materials for photovoltaic applications,
especially in the field of ferroelectric-photovoltaics. Due to the lack of experimental
information about these properties, we used those of an isostructural compound (R3c
BiFeO3), which are well documented in the literature as a reference for choosing the
Ueff value to be applied in the calculations. Therefore, to approximate the exchange and
correlation electronic effects in our calculations, the local spin density approximation
including the effective Hubbard U correction (Ueff = 6.0 eV) was used for the 3d states
of the Fe atom. It was determined that the ScFeO3 and InFeO3 compound exhibit direct
energy band gaps of 3.0 eV and 2.6 eV, respectively, and absorb visible light in the
extreme part of the visible solar spectrum. The effective masses of the charge carriers
(m*) are comparable to those of conventional commercial semiconductors (m* ≤ 0.5
m0) and the values of excitons dissociation energies are low (< 2.0 meV). All these
properties are comparable to those of BiFeO3, which is a material widely used in
photovoltaic applications. Therefore, the R3c ScFeO3 and InFeO3 compound have
great potential to be used for future photovoltaic applications. Aiming at adjusting the
properties of interest of the InFeO3 compound, self-consistent calculations of the
material under tension and compression in the volume of the unit cell were performed.
Our studies revealed that under tensile strain conditions in the unit cell volume, this
material presents an ideal energy band gap for photovoltaic applications. In other words,
under tensile strain of 9% of the unit cell volume of R3c InFeO3 (a = 5.536 Å and c =
13.808 Å), a direct energy band gap of 1.74 eV was found. For this crystalline structure,
it was also verified that the material reaches a maximum photoconversion efficiency of
20% for a thin film thickness of approximately 100 nm. This value is 4% higher than
that of tension-free material. It was also found that the effective mass of the charge
carriers and the exciton binding energy are significantly decreased relative to that of the
stress-free material. These last two facts will probably lead to better mobility of charge
carriers and easier separation of the electron-hole pair in the material's light
photoabsorption process. Under this strain level, the spontaneous electrical polarization
was reduced to 77.6 μC/cm2 which is a value even higher than that of other known
ferroelectric materials. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES A busca por materiais com propriedades ferroelétricas e fotovoltaicas adequadas é um
intenso campo de pesquisa em Física dos Materiais. Empregando cálculos baseados da
teoria funcional da densidade de spin não colinear, investigamos as propriedades
eletrônicas, ópticas e ferroelétricas dos compostos multifuncionais R3c AFeO3 (A = Sc
ou In). O objetivo principal desse estudo é de melhor entender do ponto de vista de
propriedades fundamentais o potencial desses materiais para aplicações fotovoltaicas e
em especial no campo dos ferroelétricos-fotovoltaicos. Devido à falta de informações
experimentais sobre essas propriedades, usamos as do composto BiFeO3 isoestrutural
que são bem documentado na literatura como referencial para a escolha do valor do Ueff
a ser aplicado nos cálculos. Portanto, para aproximar os efeitos de troca e correlação em
nossos cálculos foi empregada a aproximação da densidade de spin local incluindo a
correção de Hubbard U efetiva (Ueff = 6,0 eV) para os estados 3d do átomo de Fe. Foi
determinado que o ScFeO3 e o InFeO3 exibem energias fr band gaps direta de 3,0 eV e
2,6 eV, respectivamente, e absorvem luz visível na parte extrema do espectro solar
visível. As massas efetivas dos portadores de carga (m*) são comparáveis às dos
semicondutores convencionais comerciais (m* ≤ 0,5 m0) e os valores das energias de
dissociação dos éxcitons são baixos (< 2,0 meV). Todas essas propriedades são
comparáveis às do BiFeO3 que é um material bastante utilizado em aplicações
fotovoltaicas. Portanto, os compostos ScFeO3 e InFeO3 apresentam grande potencial
para serem utilizados para futuras aplicações fotovoltaicas. Visando um ajuste das
propriedades de interesse do composto InFeO3, foram realizados cálculos
autoconsistentes do material sob tensão e compressão no volume da célula unitária.
Nossos estudos revelaram que sob condições de tensão no volume da célula unitária,
este material apresenta uma energia de band gap ideal para aplicações fotovoltaicas. Em
outras palavras, sob tensão de 9% do volume da célula unitária do R3c InFeO3 (a =
5,536 Å e c = 13,808 Å), foi encontrado um band gap de energia direta de 1,74 eV. Para
essa estrutura cristalina, verificou-se ainda que o material atinge uma eficiência máxima
de fotoconversão que é de 20% para uma espessura de filme fino de aproximadamente
100 nm. Esse valor é 4% a mais do que o do material livre de tensão. Também se
verificou que a massa efetiva dos portadores de carga e a energia de ligação do éxciton
são significativamente diminuídas em relação ao do material livre de estresse. Esses
dois últimos fatos, provavelmente, provavelmente levarão a uma melhor mobilidade dos
portadores de carga e mais fácil separação do par elétron-buraco no processo de
fotoabsorção de luz do material. Sob esse nível de deformação, a polarização elétrica
espontânea foi reduzida para 77,6 μC/cm2
que consiste em um valor ainda superior ao
de outros materiais ferroelétricos conhecidos. São Cristóvão