Зонная структура сульфида кадмия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Факультет физический

Кафедра оптики и спектроскопии 
 
 
 
 
 
 

Зонная  структура сульфида кадмия 
 
 

010700, Физика 
 
 
 

Выполнил:   Перепелица А. С.

Проверил:  Домашевская Э.П. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Воронеж 2010

Оглавление

    Сульфид кадмия, общие сведения

 

    Сульфид кадмия — химическое вещество с формулой CdS. 

а)

    б)

    Рис.1 Структура CdS: а) ГЦК CdS;

    б) гексагональный CdS. 

    Сульфид кадмия существует в виде минералов  гринокит и хоулиит, которые встречаются  в виде жёлтых налетов на сфалерите (ZnS) и смитсоните. Гринокит имеет  гексагональную структуру вюрцита. Он имеет желтоватый цвет с удельной массой 4,7 г/см³ и твердостью Мооса 3,8. Хоулиит имеет кубическую структуру сфалерита (цинковой обманки). Так как эти минералы не широко распространены в природе, то для промышленного использования и научно-технических разработок сульфид кадмия получают путем синтеза.

    Сульфид кадмия является широкозонным полупроводником  с шириной запрещённой зоны 2,42 эВ при 300 K. Это свойство CdS, полезное в оптоэлектронике, используется как  в фоточувствительных, так и в  фотогальванических устройствах. Его  используют для изготовления фоторезисторов (приборов, электрическое сопротивление которых меняется в зависимости от освещенности) [1].

    Сульфид кадмия действует как люминофор (также в смеси с сульфидом  цинка). Монокристаллы сульфида кадмия используются как детекторы элементарных частиц. 
 
 
 
 
 
 
 

Кубический CdS

 

Кристаллы сульфида кадмия типа сфалерита (цинковой обманки) представляют собой кристаллы с ГЦК решеткой. Кристаллическая структура ГЦК CdS приведена на рис. 1, а). На рис. 2 изображена  элементарная ячейка сульфида цинка типа сфалерита, где черные – атомы кадмия, белые – атомы серы [2], период решетки: а = 0,5832 нм.

    

    Рис. 2. Элементарная ячейка ГЦК CdS.  

    Таблица 1.

 

    

    Рис. 3. Первая зона Бриллюэна ГЦК сульфида кадмия.

    Сфалерит  CdS обладает ГЦК решеткой, у которой форма первой зоны Бриллюэна – усеченный октаэдр, представленный на рис. 3. Изображение зонного спектра сфалерита CdS, полученное в работе [3], приведено на рис. 4. В таблице 2 дана таблица характеров групп для ГЦК решетки сфалерита CdS. 

    Таблица 2.

    Таблица характеров групп для ГЦК CdS.

 

Рис. 4. Электронная структура сфалерита CdS, основанная на HL функционале (не включая d группу). Энергии измерены от максимума валентной зоны Г_1,5 в единицах эВ. Числа обращаются к обычным индексам для представлений групп симметрии [3,7]. 
 
 
 
 
 
 

Гексагональный  CdS

 

    Схема кристалла сульфид кадмия с гексагональной кристаллической решеткой приведена  на рис. 1, б). Схема элементарной ячейки вюрцита CdS приведена на рис. 5, параметры решетки которого составляют: а = 0,41368 нм, с = 0,67163 нм, z = 2. На рис. 6 изображена первая зона Бриллюэна в вюрците CdS [4].

    

    Рис. 5  Элементарная ячейка вюрцита CdS. Координаты четырех атомов: t₁=(0,0,0), t₂=(0,0, uc), t₃=(0, a/ , c/2), t₄=(0, a/ , c/2+uc)[4].

    Таблица 3.

    

    Рис. 6 Первая зона Бриллюэна гексагонального сульфида кадмия. Координаты точек: A=2π(0, 0, 1/2c), L= 2π(0,

a, 1/2c), M=2π(0, a, 0), H=2π(-1/3a, a, 1/2c), K=2π(-1/3a, a, 0)[4].

    В таблице 4 приводится таблица характеров вюрцита CdS, рассчитанная в работе [5].

    Таблица 4.

     Таблица характеров для двойных групп гексагонального CdS с центром зоны Бриллюэна (точкой Г) и базисных функций [5]. 

    На  рис. 7 приводится изображенные зонного спектра гексагонального сульфида кадмия, рассчитанного в работе [3, 4]. 

    Рис. 7. Зонная структура вюрцита CdS, основанного на HL функционале (не включая d зону). Энергии измерены от максимума валентной зоны Г₁, Г₆ в единицах эВ. Числа обращаются к обычным индексам для представлений групп симметрии [3,6]. 

    В таблице 5 приведены ширины зон, посчитанные  по данному зонному спектру для  гексагонального и кубического  сульфида кадмия [3]. 

Таблица 5.

Сравнение электронных структур с экспериментальными и другими теоретическими результатами для кубического и гексагонального CdS. E_g, ΔE(p), и ΔE(s), обозначают ширину запрещенной зоны, p- и s- состояний зонные ширины. ΔE_v, ΔE_d, и (E_Г - E_d) обозначают ширину валентной зоны,  ширину d-зоны в точке Г относительно главного края валентной зоны. Энергии приводятся в эВ.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Литература

 

1. Яхонтова  Л. К., Зверева В. П. Основы минералогии  гипергенеза. Учеб. пособие. Владивосток: Дальнаука, 2000. 331 с.
2. Серба П.В., Луговой Е.В. Геометрия кристаллической решетки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. – 59 с.
3. K. J. Chang, Sverre Froyen, and Marvin L. Cohen, Electronic band structure for zinc-blende and wurtzite CdS, Physical Review B, 1983.
4. L. C. Lew Yan Voon, M. Willatzen, and M. Cardona, Terms linear in k in the band structure of wurtzite-type semiconductors, Physical Review B, 1996.
5. G. F. Koster, J. O. Dimmock, R. G. Wheeler, and H. Statz, Properties of the Thirty-Two Point Groups ~MIT, Cambridge, 1963.
6. N. G. Stoffel, Experimental band structure of cadmium sulfide, Physical Review B, 1983.
7. J. G. Díaz, M. Zieliński, and W. Jaskólski, Tight-binding theory of ZnS/CdS nanoscale heterostructures: Role of strain and d orbitals, Physical Review B, 2006.