Особенности определения энергии формирования вакансии в 4d-переходных металлах из первых принципов

У статті представлено дослідження температурної залежності енергії формування вакансії в чистих ГЦК 4d-перехідних металах Ag і Pd із використанням теорії функціоналу щільності. Особливістю роботи є використання експериментальних значень параметрів ґратки для відповідних температур. В роботі обговорюються різні внески в енергію формування вакансій і показано, що всі вони можуть грати важливу роль. Показано, що теплове збудження має істотний вплив на енергію формування вакансій за високих температур. Показано можливість існування компенсаційного ефекту, тобто одночасної зміни внесків вільної енергії в енергію формування вакансії в ГЦК 4d-перехідних металах Ag і Pd, що досліджувались із перших принципів. Врахування внесків вільної енергії коливань і теплового розширення електронів залежно від температури дає змогу отримати якісну картину ефекту теплового розширення. Розраховані енергії формування вакансій добре узгоджуються з попередніми теоретичними і експериментальними дослідженнями. Ефект взаємної компенсації різних внесків у енергію формування вакансії дає можливість пояснити, чому спостерігається стале значення енергії формування вакансії за будь-якої температури та виправдовує нехтування температурною залежністю при моделюванні властивостей матеріалів.In this paper a study of the temperature dependence of the vacancy formation energy in bulk fcc 4d-transition metals Ag and Pd using DFT was presented. Peculiarity of this work is the use of experimental values of the lattice parameters for the respective temperatures. This paper discusses the various contributions to the vacancy formation energy and shows that they can play an important role. It was shown that thermal excitation has a significant impact on the vacancy formation energy at high temperatures. The possibility of the existence of the compensation effect, i.e. the simultaneous changes in the contributions of the free energy and the vacancy formation energy in the fcc4d-transition metals Ag and Pd, which were investigated from first principles. Taking in to account free oscillation energy and electronic thermal excitation depending on the temperature allows obtaining a qualitative picture of the effect of thermal expansion. The vacancy formation energy is in good agreement with previous theoretical and experimental studies. The effect of mutual compensation of different contributions to the vacancy formation energy can explain the constant value of the vacancy formation energy at any temperature and justifies the neglect of the temperature dependence of the simulation properties.В статье представлено исследование температурной зависимости энергии формирования вакансии в чистых ГЦК 4d-переходных металлах Ag и Pd с использованием теории функционала плотности. Особенностью работы является использование экспериментальных значений параметров решетки для соответствующих температур. В работе обсуждаются различные вклады в энергию формирования вакансий и показано, что все они могут играть важную роль. Показано, что тепловое возбуждение оказывает существенное влияние на энергию формирования вакансий при высоких температурах. Показана возможность существования компенсационного эффекта, то есть одновременного изменения вкладов свободной энергии и энергии формирования вакансии в ГЦК 4d-переходных металлах Ag и Pd, которые исследовались из первых принципов. Учет вкладов свободной энергии колебаний и теплового расширения электронов в зависимости от температуры позволяет получить качественную картину эффекта теплового расширения. Рассчитанные энергии формирования вакансий хорошо согласуются с предыдущими теоретическими и экспериментальными исследованиями. Эффект взаимной компенсации различных вкладов в энергию формирования вакансии позволяет объяснить постоянное значение энергии формирования вакансии при любой температуре и оправдывает пренебрежение температурной зависимостью при моделировании свойств

Особенности определения энергии формирования вакансии в 5d-переходных металлах из первых принципов с учетом фактора температуры

Статтю присвячено дослідженню особливостей поведінки найбільш поширеного структурного дефекту, який визначає властивості матеріалу, а саме вакансії, за високих температур. Теоретично досліджено температурну залежність енергії формування вакансії в чистих 5d ГЦК та ОЦК перехідних металах Au, Pt і W методами теорії функціоналу щільності. Особливістю цієї роботи є використання експериментальних значень параметрів ґратки для відповідних температур. Обговорено внески в енергію формування вакансій, результати комп’ютерного моделювання свідчать, що всі вони можуть відігравати важливу роль. Показано, що теплове збудження має істотний вплив на енергію формування вакансій за високих температур. Також доведено можливість існування компенсаційного ефекту, тобто одночасної зміни внесків вільної енергії до енергії формування вакансії в 5d ГЦК та ОЦК перехідних металах Au, Pt та W. Урахування внесків вільної енергії коливань і теплового збудження електронів залежно від температури дає змогу отримати якісну картину ефекту теплового розширення. Розраховані енергії формування вакансій добре узгоджуються з попередніми теоретичними й експериментальними дослідженнями. Ефект взаємної компенсації різних внесків у енергію формування вакансії дає можливість пояснити, чому при експериментальних дослідженнях спостерігається майже однакове значення енергії формування вакансії за різних температур, та виправдовує нехтування температурною залежністю при моделюванні властивостей чистих 5d ГЦК та ОЦК перехідних металів.This work is devoted to investigation of the behavior of the most common structural defect that determines the properties of the material - vacancies - at high temperatures. Theoretical study of the temperature dependence of the vacancy formation energy in pure 5-d fcc and bcc transition metals Au, Pt and W by means of density functional theory (DFT). The feature of this work is usage of experimental values of lattice parameters for the respective temperatures. The article discusses contributions to the vacancy formation energy, the results of computer simulation show that all of them can play an important role. It is shown, that thermal excitation has a significant impact on the vacancy formation energy at high temperatures. Also the possibility of compensation effect, i.e. the simultaneous change of free energy contributions to the vacancy formation energy in the 5-d fcc and bcc transition metals Au, Pt and W was confirmed. Contribution of the free energy vibrations and thermal electronic excitation depending on the temperature gives a good picture of the effect thermal expansion. Calculated vacancy formation energies are in good agreement with previous theoretical and experimental research. The effect of the compensation of different contributions to the vacancy formation energy can explain equality of vacancy formation energy values at different temperatures, observed in experimental studies, and justifies temperature dependence neglecting when modeling the properties of pure 5-d fcc and bcc transition metals.Статья посвящена исследованию особенностей поведения наиболее распространенного структурного дефекта, который определяет свойства материала, а именно вакансии, при высоких температурах. Теоретически исследована температурная зависимость энергии формирования вакансии в чистых 5d ГЦК и ОЦК переходных металлах Au, Pt и W методами теории функционала плотности. Особенностью этой работы является использование экспериментальных значений параметров решетки для соответствующих температур. Обсуждены взносы в энергию формирования вакансий, результаты компьютерного моделирования показывают, что все они могут играть важную роль. Показано, что тепловое возбуждение оказывает существенное влияние на энергию формирования вакансий при высоких температурах. Также доказана возможность существования компенсационного эффекта, то есть одновременного изменения взносов свободной энергии к энергии формирования вакансии в 5d ГЦК и ОЦК переходных металлах Au, Pt и W. Учет взносов свободной энергии колебаний и теплового возбуждения электронов в зависимости от температуры позволяет получить качественную картину эффекта теплового расширения. Рассчитаные энергии формирования вакансий хорошо согласовываются с предварительными теоретическими и экспериментальными исследованиями. Эффект взаимной компенсации различных взносов в энергию формирования вакансии дает возможность объяснить, почему при экспериментальных исследованиях наблюдается почти одинаковое значение энергии формирования вакансии при различных температурах, и оправдывает пренебрежение температурной зависимостью при моделировании свойств чистых 5d ГЦК и ОЦК переходных металлов

Optical properties of Cu2ZnSn(SxSe1-x)(4) solar absorbers : Spectroscopic ellipsometry and ab initio calculations

Dielectric functions of Cu2ZnSn(SxSe1-x)(4) thin film absorbers with varied x were determined by spectroscopic ellipsometry and ab initio calculations. From the combination of experimental and theoretical studies, the fundamental interband transition energy E-0 (similar to 1-1.5 eV) and the next following transition energy E-1 (similar to 2-3 eV) were identified and found to blue-shift with increasing sulfur anion content, while keeping the energy separation E-1 - E-0 almost constant, similar to 1.4 eV from experiments, and 1 eV from theory. In addition, the average dielectric responses were found to decrease with sulfur anion content from both theoretical and experimental results. The Tauc optical bandgap value E-g determined on samples prepared on Mo and soda lime glass substrate showed a positive linear relationship between x and bandgap E-g. The bandgap bowing factor determined from the theoretical data is 0.09 eV. (C) 2017 Author(s)