Theoretical study of thermodynamic and electronic properties of Si(Px As(1-x))2 solid solutions by using density functional theory

Abstract

In this thesis, the bulk and monolayers orthorhombic phase Silicondiphosphidediarsenide (Si(PxAs(1-x))2) solid solution was studied by using density functional theory (DFT). All possible solid-solution crystal structure models were created by replacing arsenic (As) atoms with phosphorus (P) atoms in the orthorhombic Silicondiarsenide crystal model then calculated the total energy (E0) and the density of state (DOS) of the solid-solution model by using Perdew-Burke-Ernzerhof generalized gradient approximation (PBE-GGA) pseudopotential. The thermodynamic stability of solid solutions was studied by calculating the energy of mixing from the total energy. The result suggests there are thermodynamic stable structures for bulk Si(PxAs(1-x))2 solid-solution but it cannot find that structure because there are too many possible bulk Si(PxAs(1-x))2 solid-solution crystal structures. For the monolayer case, there are 2 thermodynamic stability Si(PxAs(1-x))2 solid-solutions (x = 0.5, x = 0.75) and It is possible to synthesize them in the laboratory. The monolayer Si(PxAs(1-x))2 with x = 0.5 and x = 0.75 exhibits an orthorhombic crystal shape and a bandgap that falls between SiP2 and SiAs2. It has potential applications in polarized photodetection and catalysis.

ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ ผู้วิจัยศึกษาเกี่ยวกับสารละลายของแข็งซิลิคอนไดฟอสไฟด์อาร์เซไนด์ (Silicondiphosphidearsenide, Si(PxAs(1-x))2) ที่มีโครงสร้างผลึกแบบก้อนผลึกและแบบชั้นเดี่ยวด้วยทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น โดยการนำต้นแบบโครงสร้างผลึกสารละลายคือซิลิคอนไดอาร์เซไนด์มาแทนที่ตำแหน่งอะตอมอาร์เซนิก (Arsenic, สารหนู, As) ด้วยฟอสฟอรัส (Phosphorus, P) ทีละตำแหน่งจนครบทุกรูปแบบที่เป็นไปได้ จากนั้นนำโครงสร้างผลึกที่เป็นไปได้ทั้งหมดไปคำนวณหาพลังงานรวมระบบและความหนาแน่นของสถานะ (density of states, DOS) โดยใช้ศักย์เทียม (pseudo-potential) การประมาณความชันทั่วไปแบบเพอร์ดิวเบิร์กเอิร์นเซอร์ฮอฟ (Perdew-Burke-Ernzerhof generalized gradient approximation, PBE-GGA) การศึกษาความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ทำได้โดยการคำนวณพลังงานที่ใช้ในการผสมจากพลังงานรวมระบบที่คำนวณได้ จากผลการคำนวณพบว่าโครงสร้างผลึกสารละลายของแข็งที่มีโครงสร้างซิลิคอนไดฟอสไฟด์อาร์เซไนด์แบบก้อนผลึกมีรูปแบบที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ แต่ไม่สามารถคำนวณหารูปแบบโครงสร้างดังกล่าวทั้งหมดได้เนื่องจากรูปแบบโครงสร้างของสารละลายของแข็งที่มีโอกาสเกิดขึ้นได้มีจำนวนมาก และสารละลายของแข็งซิลิคอนไดฟอสไฟด์ที่มีโครงสร้างผลึกแบบชั้นเดี่ยวมีรูปแบบผลึกที่เสถียรและมีโอกาสเกิดขึ้นได้ 2 รูปแบบที่มีโอกาสสังเคราะห์ขึ้นได้ในห้องทดลองคือ x = 0.5 และ x = 0.75 ซึ่งทั้งสองรูปแบบนั้นยังคงมีลักษณะโครงสร้างผลึกแบบออร์ธอรอมบิกเฟส (orthorhombic phase) และมีช่องว่างแถบพลังงานอยู่กึ่งกลางระหว่างระหว่างซิลิคอนไดฟอสไฟด์และซิลิคอนไดอาร์เซไนด์ ทำให้มีความเป็นไปได้ที่จะนำไปประยุกต์ใช้เป็นเซนเซอร์ตรวจวัดระนาบโพลาไรซ์และตัวเร่งปฏิกิริยาต่าง ๆ ในอนาคต