Structural and Electronic Properties of SmGaGe2O7 Studied by First Principles Methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The crystal structure and electronic properties of the samarium gallium digermanate SmGaGe2O7 have been studied for the first time using first principles quantum-mechanical methods. The lattice parameters and the position of ions obtained in the generalized gradient approximation agree with experimental data. The material is shown to be an indirect band gap semiconductor with a band gap of 2.45 eV. Its valence band is formed by oxygen p-states, with an insignificant contribution of other states of the other atoms. Its conduction band is formed by gallium and germanium s- and p-states, with a small contribution of oxygen p-states and samarium d-states, located ≈1 eV from the conduction band bottom. The material contains charge carriers differing in effective mass.

About the authors

A. V. Baglov

Belarusian State University, 220030, Minsk, Belarus; Belarusian State University of Informatics and Radio Engineering, 220013, Minsk, Belarus

Email: neorganmat@igic.ras.ru
Беларусь, 220030, Минск, пр. Независимости, 4; Беларусь, 220013, Минск, ул. П. Бровки, 6

L. S. Khoroshko

Belarusian State University, 220030, Minsk, Belarus; Belarusian State University of Informatics and Radio Engineering, 220013, Minsk, Belarus

Author for correspondence.
Email: neorganmat@igic.ras.ru
Беларусь, 220030, Минск, пр. Независимости, 4; Беларусь, 220013, Минск, ул. П. Бровки, 6

References

  1. Шахно И.В., Шевцова З.Н., Федоров П.И., Коровин С.С. Химия и технология редких и рассеянных элементов (в 3-х частях). Ч. 2. М.: Высш. школа, 1976. 360 с.
  2. Juarez-Arellano E.A., Bucio L., Ruvalcaba J.L., Moreno-Tovar R., Garcia-Robledo J.F., Orozco E. The Crystal Structure of InYGe2O7 Germanate // Cryst. Mater. 2002. V. 217. № 5. P. 201–204. https://doi.org/10.1524/zkri.217.5.201.20636
  3. Juarez-Arellano E.A., Rosales I., Bucio L., Orozco E. In1.08Gd0.92Ge2O7: a New Member of the Thortveitite Family // Acta Crystallogr., Sect. C. 2002. V. C58. P. i135–i137. https://doi.org/10.1107/S0108270102013343
  4. Chang Y.-S., Lin H.-J., Chai Y.-L., Li Y.-C. Preparation and Luminescent Properties of Europium-Activated YInGe2O7 Phosphors // J. Alloys Compd. 2008. V. 460. № 1–2. P. 421–425. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.05.060
  5. Juarez-Arellano E.A., Campa-Molina J., Ulloa-Godinez S., Bucio L., Orozco E. Crystallochemistry of Thortveitite-Like and Thortveitite-Type Compounds // MRS Proc. 2005. V. 848. P. FF6.15.1–FF.6.15.8. https://doi.org/10.1557/PROC-848-FF6.15
  6. Juarez-Arellano E.A., Rosales I., Oliver A., Ruvalcaba J. L., Carbonio R.E., Bucio L., Orozco E. In1.06Ho0.94Ge2O7: a Thortveitite-Type Compound // Acta Crystallogr., Sect. C. 2004. V. C60. P. i14–i16. https://doi.org/10.1107/S0108270103029056
  7. Gaewdang T., Chaminade J.P., Gravereau P., Garcia A., Fouassier C., Pouchard M., Hagenmuller P., Jacquier B. Structural Investigations and Luminescence of In2Ge2O7 and In2Si2O7 // J. Inorg. Gen. Chem. 1994. V. 620. № 11. P. 1965–1970. https://doi.org/10.1002/zaac.19946201121
  8. Juarez-Arellano E.A., Bucio L., Hernandez J.A., Camarillo E., Carbonio R.E., Orozco E. Synthesis, Crystal Structure, and Preliminary Study of Luminescent Properties of InTbGe2O7 // J. Solid State Chem. 2003. V. 170. P. 418–423. https://doi.org/10.1016/S0022-4596(02)00134-2
  9. Казей З.А., Куянов И.А., Левитин P.З., Маркосян А.С., Милль Б.В., Рейман С.И., Снегирев В.В., Тамазян С.А. Упорядочение железной и редкоземельной магнитных подсистем и метамагнитные переходы в соединениях RFeGe2O7 (R = Tb – Yb; Y) // Физика твердого тела. 1989. Т. 31. № 2. С. 105–111.
  10. Cascales C., Fernandez-Diaz M.T., Monge M.A., Bucio L. Crystal Structure and Low-Temperature Magnetic Ordering in Rare Earth Iron Germanates RFeGe2O7, R = Y, Pr, Dy, Tm, and Yb // Chem. Mater. 2002. V. 14. № 5. P. 1995–2003. https://doi.org/10.1021/cm0111332
  11. Милль Б.В., Казей З.А., Рейман С.И., Тамазян С.А., Хамдамов Ф.Д., Быкова Л.Ю. Магнитные и мёссбауэровские исследования новых антиферромагнитных соединений RFeGe2O7 (R = La – Gd) // Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика. Астрономия. 1987. Т. 28. № 4. С. 95–98.
  12. Bucio L., Cascales C., Alonso J.A., Rasines I. Neutron Diffraction Refinement and Characterization of FeRGe2O7 (R = La, Pr, Nd, Gd) // J. Phys.: Condens. Matter. 1996. V. 8. P. 2641–2653. https://doi.org/10.1088/0953-8984/8/15/013
  13. Shih H.R., Chang Y.S. Structure and Photoluminescence Properties of Sm3+ Ion-doped YInGe2O7 Phosphor // Materials. 2017. V. 10. № 7. P. 779-1–779-9. https://doi.org/10.3390/ma10070779
  14. Yang R.Y., Chen H.Y., Hsiung C.M., Chang S.J. Crystalline Morphology and Photoluminescent Properties of YInGe2O7: Eu3+ Phosphors Prepared from Microwave and Conventional Sintering // Ceram. Int. 2011. V. 37. № 3. P. 749–752. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2010.10.001
  15. Dai P.L., Tsai B.S., Tsai Y.Y., Chen H.L., Fang T.H., Liao K.H. Synthesis and Luminescence Properties of YInGe2O7 Phosphors Activated by Dysprosium Ions // Opt. Mater. 2009. V. 32. № 2. P. 392–397. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2009.09.011
  16. Lin H.J., Chang Y.S. Blue-Emitting Phosphor of YInGe2O7 Doped with Tm3+ Ions // Electrochem. Solid-State Lett. 2007. V. 10. № 7. P. J79–J82. https://doi.org/10.1149/1.2732076
  17. Teoh L.G., Tsai M.T., Chang Y.C., Chang Y.S. Photoluminescence Properties of Pr3+ Ion-doped YInGe2O7 Phosphor Under an Ultraviolet Irradiation // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 3. P. 2656–2660. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.10.163
  18. Tsai Y.Y., Chen H.L., Chai Y.L., Chang Y.S. Photoluminescence Properties of Bi3+-Doped YInGe2O7 Phosphors Under an Ultraviolet Irradiation // Opt. Mater. 2013. V. 35. № 3. P. 317–321. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2012.07.010
  19. Дрокина Т.В., Петраковский Г.А., Великанов Д.А., Молокеев М.С. Особенности магнитного упорядочения в соединении SmFeGe2O7 // Физика твердого тела. 2014. Т. 56. № 6. С. 1088–1092.
  20. Denisova L.T., Irtyugo L.A., Belousova N.V., Beletsky V.V., Denisov V.M., Kargin Yu.F. Heat Capacity and Thermodynamic Properties of Yb2Ge2O7 and Lu2Ge2O7 in the Range of 350 – 1000 K // Appl. Solid State Chem. 2018. № 4. P. 44–49. https://doi.org/10.18572/2619-0141-2018-4-5-44-49
  21. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Высокотемпературная теплоемкость германатов Pr2Ge2O7 и Nd2Ge2O7 в области 350–1000 K // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 3. С. 618–622.
  22. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белоусова Н.В., Белецкий В.В., Денисов В.М. Синтез и исследование высокотемпературной теплоемкости Dy2Ge2O7 и Ho2Ge2O7 // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 4. С. 382–386. https://doi.org/10.7868/S0002337X18040073
  23. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Иртюго Л.А., Белоусова Н.В., Белецкий В.В., Денисов В.М. Теплоемкость In2Ge2O7 и YInGe2O7 в области температур 320–1000 K // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 12. С. 1315–1319. https://doi.org/10.1134/S0002337X18120023
  24. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Денисов В.М. Синтез и исследование высокотемпературной теплоемкости Y2Ge2O7 // Журн. неорган. химии. 2018. Т. 63. № 3. С. 338–340. https://doi.org/10.7868/S0044457X1803011X
  25. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Теплоемкость твердых растворов системы Er2Ge2O7 – Er2Sn2O7 в области 350–1000 K // Физика твердого тела. 2019. Т. 61. № 4. С. 660–663.
  26. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Белоусова Н.В., Иртюго Л.А., Денисов В.М., Белецкий В.В. Теплоемкость германатов редкоземельных элементов R2Ge2O7 (R = Pr–Lu, Y) // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 9. С. 1007–1013. https://doi.org/10.1134/S0002337X19090021
  27. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Белоусова Н.В., Белецкий В.В., Денисов В.М. Высокотемпературная теплоемкость и термодинамические свойства Tm2Ge2O7 и TmInGe2O7 в области 350–1000 K // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 3. С. 476–479. https://doi.org/10.1134/S004445371903004X
  28. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Теплоемкость и термодинамические функции германатов DyInGe2O7 и HoInGe2O7 в области 350–1000 K // Журн. неорган. химии. 2019. Т. 64. № 9. С. 980–983. https://doi.org/10.1134/S0044457X19090071
  29. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Иртюго Л.А., Белоусова Н.В., Белецкий В.В., Денисов В.М. Синтез и исследование термодинамических свойств германата Tb2Ge2O7 // Журн. неорган. химии. 2019. Т. 64. № 7. С. 731–735. https://doi.org/10.1134/S0044457X19070055
  30. Денисова Л.Т., Молокеев М.С., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Структура и термодинамические свойства SmGaGe2O7 // Физика твердого тела. 2020. Т. 62. № 2. С. 332–335.
  31. Денисова Л.Т., Молокеев М.С., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Каргин Ю.Ф., Денисов В.М. Синтез, структура и теплофизические свойства EuGaGe2O7 // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 8. С. 901–905. https://doi.org/10.31857/S0002337X20080047
  32. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Высокотемпературная теплоемкость германатов PrFeGe2O7 и NdFeGe2O7 в области 350–1000 К // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 7. С. 796–800. https://doi.org/10.31857/S0002337X20070040
  33. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Синтез и исследование высокотемпературной теплоемкости германатов YbInGe2O7 и LuInGe2O7 в области 350–1000 K // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 2. С. 160–164. https://doi.org/10.31857/S0002337X20020049
  34. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Теплоемкость и термодинамические свойства Gd2Ge2O7 в области 350–1000 K // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 1. С. 65–68. https://doi.org/10.31857/S0002337X20010030
  35. Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Синтез и высокотемпературные термодинамические свойства InFeGe2O7 и GdFeGe2O7 // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 7. С. 867–871. https://doi.org/10.31857/S0044457X20070041
  36. Денисова Л.Т., Каргин Ю.Ф., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Белоусова Н.В., Денисов В.М. Синтез, структура и теплофизические свойства германата NdGaGe2O7 // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 5. С. 581–585. https://doi.org/10.31857/S0044457X20050074
  37. Денисова Л.Т., Молокеев М.С., Крылова А.С., Александровский А.С., Иртюго Л.А., Белецкий В.В., Денисов В.М. Синтез, кристаллическая структура, люминесценция и теплофизические свойства TbGaGe2O7 // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 1. С. 76–79.
  38. Иртюго Л.А., Денисова Л.Т., Молокеев М.С., Денисов В.М., Александровский А.С., Белецкий В.В., Сивкова Е.Ю. Синтез, кристаллическая структура, оптические и термодинамические свойства PrAlGe2O7 // Журн. физ. химии. 2021. Т. 95. № 8. С. 1165–1170. https://doi.org/10.31857/S0044453721080124
  39. Ozaki T. Variationally Optimized Atomic Orbitals for Large-Scale Electronic Structures // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 2003. V. 67. № 15. P. 155108-1–155108-5. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.67.155108
  40. Ozaki T., Kino H. Numerical Atomic Basis Orbitals from H to Kr // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 2004. V. 69. № 19. P. 195113-1–195113-19. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.195113
  41. Ozaki T., Kino H. Efficient Projector Expansion for the Ab Initio LCAO Method // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 2005. V. 72. № 4. P. 045121-1–045121-8. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.045121
  42. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. № 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (1020KB)
Indexing metadata
3.

Download (869KB)
Indexing metadata
4.

Download (573KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.В. Баглов, Л.С. Хорошко