Электронная структура четырехкомпонентных клатратных кристаллов системы Ba-Zn-Si-Ge

Abstract

Представлены результаты расчета электронной структуры четырехкомпонентных клатратных кристаллов на основе кремния и германия. Расчет проводился методом линеаризованных присоединенных плоских волн. Анализ результатов расчета позволил установить зависимость свойств кристаллов от соотношения числа атомов кремния и германия в элементарной ячейке, а также от положения замещающих атомов цинка. DOI: 10.21883/FTP.2018.03.45612.8615a ВведениеСинтез новых функциональных материалов всегда является актуальной задачей. Развитие современных тех-нологий в различных сферах производства невозможно без применения качественно новых материалов. Нано-клеточные кристаллы представляют собой идеальные объекты для конструирования новых функциональных материалов. Первый такой кристалл был синтезирован в 1965 году -это был силицид натрия с клатратной структурой [1], в которой внутри кремниевых сфероидов помещается атом натрия. Позднее были синтезированы кремниевые клатраты с инкапсулированными атомами калия, бария и других металлов [2][3][4]. Кроме того, был осуществлен синтез клатратов на основе германия и олова [5][6][7].До начала 90-х годов прошлого века исследование клатратных кристаллов практически не проводилось. Однако, после того как в 90-х годах прошлого века Слэк выдвинул гипотезу [8], согласно которой соединения, в которых слабо связанные атомы могут колебаться в ограниченном объеме, должны обладать аномально низкой теплопроводностью при высокой электропро-водности, клатраты оказались очевидными кандидатами на роль новых, перспективных термоэлектриков. Это послужило толчком к многочисленным работам по син-тезу новых клатратов [9][10][11][12]. Оказалось, что существует сразу несколько возможностей влиять на свойства таких кристаллов. Прежде всего это сорт инкапсулированного атома. Показано как экспериментально, так и теорети-чески, что сорт этого атома влияет на электронные, сверхпроводящие, а также механические свойства кри-сталла [2-4,13,14]. Еще одна возможность -замещение атомов решетки-хозяина атомами другого сорта. Свой-ства кристалла при этом определяются как сортом заме-щающих атомов, так и их положением в элементарной ячейке [15][16][17][18].В данной работе представлены результаты расчета электронной структуры четырехкомпонентных клатрат-ных кристаллов на основе кремния и германия - Метод расчетаРасчет электронной структуры клатратов проводил-ся методом линеаризованных присоединенных плоских волн (ЛППВ) [19] в рамках локального приближения функционала плотности с использованием обменно-корреляционного потенциала в аппроксимации [20] и скалярно-релятивистского приближения [21]. В этом приближении учитываются все релятивистские эффек-ты, кроме спин-орбитального расщепления. Для рас-четов электронной структуры использовался базис из 2517 ЛППВ. В разложении базисной функции по сфе-рическим гармоникам учитывались вклады до l max = 7.Полученные в результате зонного расчета собствен-ные функции ψ i,k (r) и собственные значения энергии E i (k) использовались для расчета полных плотностей электронных состоянийk определяет заряд...