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Cubic to pseudo-cubic tetragonal phase transformation with lithium and beryllium doping in CaTiO3 and its impact on electronic and optical properties: a DFT approach
Bulletin of Materials Science ( IF 1.8 ) Pub Date : 2020-08-27 , DOI: 10.1007/s12034-020-02222-3
I Zeba , N Bashir , Riaz Ahmad , M Shakil , M Rizwan , M Rafique , Farzana Rashid , S S A Gillani

First-principles calculations, with CASTEP code, were employed to study the effect of lithium (Li) and beryllium (Be) doping on structural stability, phase transformation, electronic band structure and optical characteristics of CaTiO3. The substitution of Ca-atoms with the Li- and Be-atoms changes the lattice parameters and hence unit cell volume and consequently the electronic band structure of CaTiO3 is modified. With 12.5% Li- and Be-doping, we observed a structural phase transformation from cubic to pseudo-cubic tetragonal structure which is in good agreement with the literature. The impact of structural phase transformation on the electronic band structure has been explained with the help of total, partial and elemental partial density of states. In case of Li-doping, the value of band gap slightly increases from 1.866 to 1.964 eV while the band gap value decreases to 1.614 eV for Be-doping. In both cases of doping, maxima of valence band are shifted from R to Z symmetry point whereas the minima of conduction band remain at G symmetry point. In pure and doped cases, the nature of the band gap remains unaltered, i.e., indirect band gap. From optical response of the doped compounds, we perceive a red shift in the absorption. With Be- and Li-doping, the static refractive index also increased from 2.48 to 2.63 and 4.1, respectively. The change in electronic structure and optical characteristic with Li- and Be-doping would make this compound a suitable candidate for future optoelectronic devices.

中文翻译:

在 CaTiO3 中掺杂锂和铍的立方到准立方四方相变及其对电子和光学性质的影响:DFT 方法

采用第一性原理计算,采用 CASTEP 代码,研究锂 (Li) 和铍 (Be) 掺杂对 CaTiO3 的结构稳定性、相变、电子能带结构和光学特性的影响。Ca 原子与 Li 和 Be 原子的取代改变了晶格参数,从而改变了晶胞体积,从而改变了 CaTiO3 的电子能带结构。在 12.5% 的 Li 和 Be 掺杂下,我们观察到从立方结构到伪立方四方结构的结构相变,这与文献非常吻合。结构相变对电子能带结构的影响已经在总态、部分态和元素部分态密度的帮助下进行了解释。在 Li 掺杂的情况下,带隙值从 1.866 略微增加到 1。964 eV,而 Be 掺杂的带隙值降低到 1.614 eV。在两种掺杂情况下,价带的最大值从 R 向 Z 对称点移动,而导带的最小值保持在 G 对称点。在纯和掺杂的情况下,带隙的性质保持不变,即间接带隙。从掺杂化合物的光学响应中,我们感知到吸收的红移。随着 Be 和 Li 掺杂,静态折射率也分别从 2.48 增加到 2.63 和 4.1。Li 和 Be 掺杂的电子结构和光学特性的变化将使这种化合物成为未来光电器件的合适候选者。价带的最大值从 R 移到 Z 对称点,而导带的最小值保持在 G 对称点。在纯和掺杂的情况下,带隙的性质保持不变,即间接带隙。从掺杂化合物的光学响应中,我们感知到吸收的红移。随着 Be 和 Li 掺杂,静态折射率也分别从 2.48 增加到 2.63 和 4.1。Li 和 Be 掺杂的电子结构和光学特性的变化将使这种化合物成为未来光电器件的合适候选者。价带的最大值从 R 移到 Z 对称点,而导带的最小值保持在 G 对称点。在纯和掺杂的情况下,带隙的性质保持不变,即间接带隙。从掺杂化合物的光学响应中,我们感知到吸收的红移。随着 Be 和 Li 掺杂,静态折射率也分别从 2.48 增加到 2.63 和 4.1。Li 和 Be 掺杂的电子结构和光学特性的变化将使这种化合物成为未来光电器件的合适候选者。静态折射率也分别从 2.48 增加到 2.63 和 4.1。Li 和 Be 掺杂的电子结构和光学特性的变化将使这种化合物成为未来光电器件的合适候选者。静态折射率也分别从 2.48 增加到 2.63 和 4.1。Li 和 Be 掺杂的电子结构和光学特性的变化将使这种化合物成为未来光电器件的合适候选者。
更新日期:2020-08-27
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