Synthesis, crystal and energy structure of the Ag8SnS6 crystal

І.В. Семків; Г.А. Ільчук; Н.Ю. Кашуба; В.М. Кордан; А.І. Кашуба

doi:10.15330/pcss.24.3.441-447

Автор(и)

І.В. Семків Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна
Г.А. Ільчук Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, Україна
Н.Ю. Кашуба Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна
В.М. Кордан Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
А.І. Кашуба Національний університет "Львівська політехніка", Львів, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.441-447

Ключові слова:

аргіродит, синтез, Х- променева дифракція, морфологія, теорія функціонала густини, зонна структура, ефективна маса, щільність станів

Анотація

Кристал Ag₈SnS₆ було вирощено шляхом прямого плавлення високочистої стехіометричної суміші елементарних Ag, Sn та S у герметичній кварцовій ампулі. Даний аргіродит кристалізується в орторомбічній структурі (просторова група Pna2₁ (№ 33)) при кімнатній температурі. Проведено першопринципні розрахунки електронної зонної структури та густини станів кристала αʹʹ-Ag₈SnS₆ з використанням узагальненого градієнтного наближення (GGA) і наближення локальної щільності (LDA). Функціонал Пердью–Берка–Ернзерхофа (PBE) та PBEsol було застосовано для GGA розрахунків. Усі розраховані параметри добре корелюють з відомими експериментальними даними. На основі електронної зонної структури розраховано ефективну масу електронів і дірок. Обговорюється анізотропна поведінка електронної зонної структури.

Посилання

W.F. Kuhs, R. Nitsche, K. Scheunemann, The argyrodites — A new family of tetrahedrally close-packed structures, Mater. Res. Bull., 14(2), 241 (1979); https://doi.org/10.1016/0025-5408(79)90125-9.

B. Zhou, Y. Xing, S. Miao, M. Li, W.-H. Zhang, C. Li, Synthesis and Characterization of Ag8(Ge1−x,Snx)(S6−y,Sey) Colloidal Nanocrystals, Chem. Eur. J., 20, 12426 (2014); http://dx.doi.org/10.1002/chem.201404220.

Q. He, T. Qian, J. Zai, Q. Qioa, S. Huang, Y. Li, M. Wang, Efficient Ag8GeS6 counter electrode prepared from nanocrystal ink for dye-sensitized solar cells, J. Mater. Chem. A., 3, 20359 (2015). https://doi.org/10.1039/C5TA05304H.

Q. He, S. Huang, C. Wang, Q. Qiao, N. Liang, M. Xu, W. Chen, J. Zai, X. Qian, The Role of Mott–Schottky Heterojunctions in Ag–Ag8SnS6 as Counter Electrodes in Dye-Sensitized Solar Cells, ChemSusChem., 8(5), 817 (2015); https://doi.org/10.1002/cssc.201403343.

S. Lin, W. Li, Y. Pei, Thermally insulative thermoelectric argyrodites, Materials Today., 48(2), 198 (2021); https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.01.007.

L. Gao, M.-H. Lee, J. Zhang, Metal-cation substitutions induced the enhancement of second harmonic generation in A8BS6 (A = Cu, and Ag; B = Si, Ge, and Sn), New J. Chem., 43, 37193 (2019); https://doi.org/10.1039/C8NJ06270F .

C. Yu, F. Zhao, J. Luo, L. Zhang, X. Sun, Recent development of lithium argyrodite solid-state electrolytes for solid-state batteries: Synthesis, structure, stability and dynamics, Nano Energy., 83, 105858 (2021); https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105858 .

K.-W. Cheng, W.-T. Tsai, Y.-H. Wu, Photo-enhanced salt-water splitting using orthorhombic Ag8SnS6 photoelectrodes in photoelectrochemical cells, Journal of Power Sources., 317, 81 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.03.086 .

I.Y. Nekrasov, M.P. Kulakov, Z.D. Sokolovskaya, A.V. Chichagov, Phase relations in the tin-silver systems Ag2S-SnS and Ag2S-SnS2, Geochem. Int., 13, 23 (1976).

O. Gorochov, Les composes Ag8MX6 (M=Si, Ge, Sn et X=S, Se, Te), Bull. Soc. Chim. France, 6, 2263 (1968).

O.V. Parasyuk, I.D. Olekseyuk, L.V. Piskach, S.V. Volkov, V.I. Pekhnyo, Phase relations in the Ag2S–CdS–SnS2 system and the crystal structure of the compounds, J. Alloys Compd., 399(1-2), 173 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.03.023 .

C.-L. Lu, L. Zhang, Y.-W. Zhang, S.-Y. Liu, Y. Mei, Electronic, optical properties, surface energies and work functions of Ag8SnS6: First-principles method, Chin. Phys. B., 24(1), 017501 (2015); https://doi.org/10.1088/1674-1056/24/1/017501 .

X. Shen, Y. Xia, C.-C. Yang, Z. Zhang, S. Li, Y.-H. Tung, A. Benton, X. Zhang, X. Lu, G. Wang, J. He, X. Zhou, High Thermoelectric Performance in Sulfide-Type Argyrodites Compound Ag8Sn(S1−xSex)6 Enabled by Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Extended Cubic Phase Regime, Advanced Functional Materials., 30(21), 2000526 (2020); https://doi.org/10.1002/adfm.202000526 .

T.J. Slade, V. Gvozdetskyi, J.M. Wilde, A. Kreyssig, E. Gati, L.-L. Wang, Y. Mudryk, R.A. Ribeiro, V.K. Pecharsky, J.V. Zaikina, S.L. Bud’ko, P.C. Canfield, A Low-Temperature Structural Transition in Canfieldite, Ag8SnS6, Single Crystals, Inorg. Chem., 60(24), 19345 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c03158 .

C. Sturm, N. Boccalon, D. Ramirez, H. Kleinke, Stability and Thermoelectric Properties of the Canfieldite Ag8SnS6, ACS Appl. Energy Mater. 4(9), 10244 (2021); https://doi.org/10.1021/acsaem.1c02118 .

Wang N. New data for Ag8SnS6 (canfeildite) and Ag8GeS6 (argyrodite), Neues Jahrb. Mineral. Monatsh., 269 (1978).

O. Gorochov, Les composes Ag8MX6 (M=Si, Ge, Sn et X=S, Se, Te), Bull. Soc. Chim. France., 6, 2263 (1968).

G.H. Moh, Experimental and descriptive ore mineralogy. the Ag–Sn–S system. the Ag–Ge–S system, N. Jb. Miner. Abh., 128(2), 146 (1976).

Z.M. Aliyeva, S.M. Bagheri, Z.S. Aliev, I.J. Alverdiyev, Y.A. Yusibov, M.B. Babanly, The phase equilibria in the Ag2S–Ag8GeS6–Ag8SnS6 system, J. Alloys Compd., 611, 395 (2014); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.05.112 .

A. Sugaki, A. Kitakaze, H. Kitazawa, Science Reports of the Tohoku University, Series III, 16(2), 199 (1985).

J.P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett., 78(7), 1396 (1997); http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.78.1396 .

J.P. Perdew, A. Ruzsinszky, G.I. Csonka, O.A. Vydrov, G.E. Scuseria, L.A. Constantin, B.K. Zhou, Restoring the Density-Gradient Expansion for Exchange in Solids and Surfaces, Phys. Rev. Lett., 100(13), 136406 (2008); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406 .

H.J. Monkhorst, J.D. Pack, Special points for Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B., 13(12), 5188 (1976); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188 .

C.W.F.T. Pistorius, O. Gorochov, Polymorphism and stability of the semiconducting series Ag8МХ6 (М = Si, Ge, Sn, і X = S, Se, Te) to high pressures, High Temperatures- High Pressures., 2(1), 31 (1970).

A. Kindurys, A. Shileika, Investigations of the absorption edge of the compounds at phase trancitions, Inst. Phys. Conf. Ser., 35, 67 (1977).

L. Wang, W. Wang, A New Strategy to Design Highly Sustainable Sulfide PhotoCatalyst for Hydrogen Production, Chinese Journal of Chemistry, 35(2), 148 (2017); https://doi.org/10.1002/cjoc.201600668 .

H.A. Ilchuk, L.I. Nykyruy, A.I. Kashuba, I.V. Semkiv, M.V. Solovyov, B.P. Naidych, V.M. Kordan, L.R. Deva, M.S. Karkulovska, R.Y. Petrus, Electron, phonon, optical and thermodynamic properties of CdTe crystal calculated by DFT, Physics and Chemistry of Solid State., 23(2), 261 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.2.261-269 .

A. Kashuba, Influence of metal atom substitution on the electronic and optical properties of solid-state Cd0.75X0.25Te (X= Cu, Ag and Au) solutions, Physics and Chemistry of Solid State., 24(1), 92 (2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.1.92-101 .

W. Kohn, L. J. Sham, Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects, Phys. Rev. A., 140(4), 1133 (1965); https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133 .

I.V. Semkiv, B.A. Lukiyanets, H.A. Ilchuk, R.Yu. Petrus, A.I. Kashuba, M.V. Chekaylo, Energy Structure of β´-phase of Ag8SnSe6 Crystal, J. Nano- Electron. Phys., 8(1), 01011 (2016); http://dx.doi.org/10.21272/jnep.8(1).01011 .

M.Ya. Rudysh, M.G. Brik, V.Yo. Stadnyk, R.S. Brezvin, P.A. Shchepanskyi, A. Fedorchuk, O.Y. Khyzhun, I.V. Kityk, M. Piasecki, Ab initio calculations of the electronic structure and specific optical features of β-LiNH4SO4 single crystals, Physica B Condens, 528, 37 (2018); https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.10.085 .

M.Ya. Rudysh, P.A. Shchepanskyi, A.O. Fedorchuk, M.G. Brik, C.-G. Ma, G.L. Myronchuk, M. Piasecki, First-principles analysis of physical properties anisotropy for the Ag2SiS3 chalcogenide semiconductor, J. Alloys Compd., 826, 154232 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154232 .

A. Fonari, C. Sutton, Effective Mass Calculator (2012). https://github.com/afonari/emc.