Электронная структура и фононный спектр теллурида свинца с примесью индия: расчеты из первых принципов

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, физический факультет,
Москва, 119992, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 2
Эл. почта: swan64@scon155.phys.msu.ru

Теллурид свинца и твердые растворы на его основе, легированные примесью In, обладают целым рядом необычных, до конца не объясненных свойств [1]. В настоящей работе методом функционала плотности рассчитаны электронная структура и фононный спектр в точке Г зоны Бриллюэна сверхъячейки 2x2x2 теллурида свинца с двумя атомами In, расположенными на максимальном удалении друг от друга (вторая координационная сфера атомов металла).

Фононный спектр указанной сверхъячейки характеризуется наличием неустойчивой дыхательной моды симметрии A1_g. Конденсация этой моды приводит к появлению двух неэквивалентных положений атомов In с межатомными расстояниями In(1)-Te = 3.095 и In(2)-Te = 3.203 A; выигрыш энергии при искажении составляет 1.5 мэВ. Сравнение полученных длин связей с расчетными расстояниями In-Te в кристаллах, в которых оба атома индия находятся в зарядовых состояниях In⁺ и In^-, показывает, что в искаженной структуре не происходит полного зарядового упорядочения, как это предполагалось в [2].

Расчет зонной структуры показывает, что стабилизация уровня Ферми в сверхъячейке Pb₆In₂Te₈ происходит за счет полуметаллического перекрытия частично заполненных зон вблизи точек L и K "сложенной" зоны Бриллюэна. Зона, возникающая при введении In, имеет ширину ~3 эВ и, таким образом, предположение об образовании узкой примесной зоны [3] не подтверждается. Показано, что из-за сильной дисперсии зон подход к анализу свойств PbTe(In), основанный на первопринципных расчетах плотности состояний [4], приводит к выводам, противоречащим прямым расчетам зонной структуры.

Сопоставление свойств сверхъячеек Pb₆In₂Te₈ с разными конфигурациями расположения примесей показало, что описанная выше неустойчивость отсутствует в сверхъячейке, в которой пары атомов In находятся на кратчайшем расстоянии (в первой координационной сфере атомов металла). Полная энергия последней сверхъячейки оказалась на 60 мэВ выше энергии сверхъячейки, в которой атомы In расположены во второй координационной сфере. Следствием этого может быть заметная корреляция в расположении примесей в кристаллах, способствующая образованию линейных цепочек In-Te-In.

Существование дыхательной моды в фононном спектре PbTe(In) позволяет объяснить причину неожиданно высокого фактора Дебая-Уоллера для пары атомов In-Te, наблюдаемого в спектрах EXAFS PbTe(In) при низкой температуре [5].

Литература

[1] Б.А. Волков, Л.И. Рябова, Д.Р. Хохлов, УФН 172, 875 (2002).
[2] И.А. Драбкин, Б.Я. Мойжес, ФТП 15, 625 (1981).
[3] А.А. Аверкин, В.И. Кайданов, Р.Б. Мельник, ФТП 5, 91 (1971).
[4] S. Ahmad, K. Hoang, S.D. Mahanti, Phys.Rev.Lett. 96, 056403 (2006).
[5] A.I. Lebedev, I.A. Sluchinskaya, V.N. Demin, I.H. Munro, G. van Dorssen, Daresbury Laboratory Annual Report, p. 248 (1997).