通过共掺（Eu, Cr）研究纤锌矿结构ZnS中的光电效应、热电效应及诱导半金属性：采用密度泛函理论（DFT）方法

《Computational and Theoretical Chemistry》：Study of optoelectronic, thermoelectric and induced half-metallicity in Wurtzite ZnS via codoped (Eu, Cr): A DFT method

基于密度泛函理论（DFT），对 Eu-Cr 共掺杂 ZnS 的电子、磁、光学及热电性能进行计算，发现铁磁有序更稳定且具有半金属特性（自旋极化率达100%），热电性能优（ZT≈1），归因于 S-3p、Cr-3d、Eu-4f 的杂化（GGA）及 p-f 杂化（GGA+U）。其热电与自旋电子学应用潜力显著。

　　

W. Amghar|A.Fakhim. Lamrani|E. Maskar|A. El Hat|R. Ahl Laamara|A. Yvaz|D.P. Rai

LPHE-建模与仿真，摩洛哥拉巴特穆罕默德五世大学理学院

摘要

基于密度泛函理论（DFT），我们成功研究了掺杂了(Eu, Cr)对的正交结构硫化物(ZnS)。本研究使用GGA和GGA+U方法计算了其电子、磁、光学和热电(TE)性质。结果表明，铁磁自旋排列比反铁磁耦合更为稳定。尤为值得注意的是，在掺杂材料中观察到了半金属性行为，在费米能级处表现出100%的自旋极化。然而，在Zn_1-2xEu_xCr_x（x=0.0625）合金中，铁磁性的起源在GGA近似下是由于S-3p、Cr-3d和Eu-4f态之间的杂化，在GGA+U近似下则是p-f杂化。双杂质的引入导致该化合物具有较大的半金属能隙。对铁磁合金的光学模拟显示，在紫外光谱区域有较高的吸收系数，在可见光范围内反射率较低。此外，优值ZT约为1的计算结果证明这是一种将热能有效转化为电能的材料。所有这些特性使得$Zn\_\{1-2x\}Eu\_xCr\_xS$成为一种适用于自旋电子学、光电子学和热电应用的半金属铁磁材料。

章节摘录

引言

半导体化合物因其在生产可再生能源（如太阳能电池[1]）和热电材料[2]中的多种技术应用而引起了学术界的兴趣，它们覆盖了从红外到紫外的整个光谱范围，并且具有不同的电能特性[3]。此外，它们低的热导率和高的电导率使其成为制造热电电源的理想材料[4]。

计算模型与方法

硫化锌(ZnS)存在不同的晶体结构。在我们的研究中，我们选择了最稳定的纤锌矿结构[43]，其特点是六边形形状，空间群为P63mc。我们使用一个包含32个原子（16个Zn原子和16个S原子）的超胞(2×2×2)对其进行建模。在这次计算中，我们用一个Eu原子和一个Cr原子替换了两个Zn原子，掺杂比例为x=0.0625。基本结构如下：

结果与讨论

通过第一性原理计算（基于形成能$E\_f$）研究了掺Eu、Cr以及Eu/Cr共掺杂的硫化锌(ZnS)的热力学稳定性。该参数量化了用Eu和/或Cr掺杂剂替代ZnS晶格中Zn原子的能量优势。对于一般配置，形成能定义为：$E\_f\; =\; E\_\{ZnN\}\; -\; E\_\{Zn\_nEu\_nCr\_nS\}$