خريطة مركبات Zintl AM2Pn2

       عُرفت عائلة AM2Pn2 (A= Ca, Sr, Ba, Yb, Mg; M = Zn, Cd, Mg; و Pn = N, P, As, Sb, Bi) من أطوار Zintl كمواد موصلة للحرارة، واكتسبت مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا كمواد واعدة للغاية لامتصاص الطاقة الشمسية في الخلايا الشمسية أحادية الوصلة والخلايا الشمسية المتتالية. في هذه الورقة، سنستكشف، انطلاقًا من المبادئ الأولى، عائلة مركبات AM2Pn2 بأكملها من حيث هيكلها في الحالة الأرضية، واستقرارها الديناميكي الحراري، وهيكلها الإلكتروني. نقوم أيضًا بإجراء قياسات طيفية للتألق الضوئي على عينات مسحوقية وشرائح رقيقة للتحقق من نتائجنا، بما في ذلك القياسات الأولى لفجوات النطاق لمركبي SrCd2P2 و CaCd2P2.

      تُظهر مركبات AM2Pn2 استقرارًا واسعًا، وهي في الغالب متماثلة هيكليًا مع CaAl2Si2 (P3̅m1)، وتغطي نطاقًا واسعًا من فجوات النطاق من 0 إلى ما يزيد عن 3 إلكترون فولت. هذا يمكن أن يجعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من الأغراض، والتي نقترح لها العديد من المرشحين، مثل CaZn2N2 لامتصاص الطاقة الشمسية في الخلايا الشمسية المتتالية العلوية و SrCd2Sb2 و CaZn2Sb2 لكاشفات الأشعة تحت الحمراء. من خلال فحص هياكل النطاق لـ AM2Pn2، نجد أن Mg3Sb2 هو الأكثر وعدًا كمادة موصلة للحرارة نظرًا لوجود العديد من جيوب نطاق التكافؤ خارج-Γ، وهي فريدة من نوعها بين التراكيب التي تمت دراستها هنا.

      هنا، قمنا بدراسة منهجية لاستقرار الطور وهيكل النطاق الإلكتروني لمركبات AM2Pn2 في نطاق واسع من التراكيب، باستخدام حسابات المبادئ الأولى، ووجدنا أن غالبية التراكيب التي تمت دراستها هنا مستقرة ومتماثلة هيكليًا وأنها تمتلك نطاقًا واسعًا من فجوات النطاق. تزداد فجوة النطاق بشكل عام مع انخفاض كتلة Pn؛ في حين أن مركبات البزموت في الغالب معدنية، فإن بعض مركبات النتريد لديها فجوات نطاق أكبر من 3 إلكترون فولت. نقارن النتائج بالأدبيات التجريبية ونكملها بنتائج تجريبية جديدة. يمكن استخدام عملنا لفهم مركبات AM2Pn2 الراسخة جيدًا، واقتراح مركبات AM2Pn2 جديدة لتجميعها، واقتراح تطبيقات محددة لبعض الكيمياء.