锂基三元半导体电子结构与光电热输运性质的第一性原理研究

本综述采用密度泛函理论（DFT）系统研究了正交晶系LiGaSe2与LiGaTe2的光电、力学及热输运特性。研究揭示硒/碲置换通过能带调控（Te引入间接带隙）、轨道杂化与声子散射影响，使LiGaTe2在热电（高ZT值）与可见光吸收方面表现突出，而LiGaSe2更适用于紫外光学与电子传输领域，为多功能半导体材料设计提供了理论机制。

　　

Highlight

本研究采用密度泛函理论（DFT）结合TB-mBJ和WC-GGA泛函，对正交晶系Pna2₁相的LiGaSe₂和LiGaTe₂硫族化合物进行了光电子学、力学和输运性质的综合研究。电子能带结构分析证实LiGaSe₂为直接带隙半导体，而LiGaTe₂为间接带隙半导体。碲（Te）替代引起费米能级附近更显著的轨道杂化和能带平坦化。价带中主要由Se/Te-p和Ga-p轨道贡献，导带中Ga-s/p轨道活跃，而锂（Li）呈现静电惰性。LiGaTe₂在可见光区吸收增强，具有更高的静态介电常数和明显的等离子体活性，而LiGaSe₂则表现出更强的高能跃迁，适用于紫外光学。力学研究表明两种化合物均具弹性稳定性和延展性，LiGaTe₂拥有更高的体积模量、剪切模量、杨氏模量，表明其刚度、各向异性和柯西压力更大。在700 K时，尽管电导率较低，但LiGaTe₂因更强的能量过滤效应和更低的电子热导率，在塞贝克系数（Seebeck coefficient）和无量纲热电优值（ZT）方面优于LiGaSe₂。这些结果表明硫族元素置换调控了原子间相互作用、电子分散和声子散射，为多功能特性的设计提供了机制。LiGaTe₂是热电和光电应用中有前景的半导体材料，而LiGaSe₂在紫外和电子传输敏感领域仍具应用价值。

Computational details

本研究采用密度泛函理论（DFT）及WIEN2k软件包对LiGaSe₂和LiGaTe₂材料的结构、电学、光学、力学和热电性质进行了研究。为处理交换-关联作用，同时采用了修正的Becke-Johnson势（TB-mBJ）和Wu-Cohen广义梯度近似（WC-GGA）。由于其在推断平衡晶格参数方面的精确性……

Structural properties

LiGaSe₂具有正交晶系Pna2₁空间群并呈现类硫银锗矿结构（参见图1）。LiSe₄四面体由一个Li⁺离子与四个Se^2?原子配位形成。Li–Se键长在2.53至2.56 ?范围内显著变化。Ga–Se键长介于2.40至2.42 ?之间。LiGaTe₂同样具有正交晶系Pna2₁空间群，为黄铜矿结构。LiTe₄四面体由Li¹⁺与四个相同的Te^2?原子键合形成。Li–Te键长在2.57 ?至……

Conclusions

对正交晶系LiGaSe₂和LiGaTe₂的结构、电学、光电、弹性和输运性质进行了全面的第一性原理研究，以评估其多功能潜力。TB-mBJ计算表明，LiGaSe₂具有3.06 eV的直接带隙，而LiGaTe₂因Te更高的极化率和更强的自旋轨道相互作用，其间接带隙较小，为2.02 eV。分波态密度表明Se/Te-p和Ga-p轨道……