Effect of crystal defects on the electronic structure and dielectric functions of In0.5Tl0.5I solid state solutions

We investigate an influence of the various crystal structure imperfections on the electronic properties and dielectric functions for In0.5Tl0.5I semiconductor in the frame of the density functional theory calculations. The tensor of electron effective mass m*_ij of InI, In_0.5Tl_0.5I and TlI crystals has been calculated for the valence and conduction bands and different K-points of Brillouin zone. Dielectric functions ε(hν) of the defective crystals based on In_0.5Tl_0.5I solid state solution with iodine vacancy and thallium interstitial atom were calculated taking into consideration the inter-band and intra-band electron transitions. The studies of the defective crystals reveal increased low-frequency and stationary electron conductivity with anisotropy resulted from the anisotropy of the electron effective mass tensor. Our findings explain the origin of crucial changes in the band structure by formation the donor half-occupied levels close to the unoccupied conduction bands due to the crystal structure defects, i.e. iodine vacancy or thallium interstitial atom. It has been shown that in the case of real crystals, in particular metal-halides, the proper consideration of defects in quantum-chemical calculations results in a better matching of the theoretical and experimental results in comparison to the case when the perfect crystal structure had been used for calculations.

Zbadano wpływ różnych niedoskonałości struktury krystalicznej na właściwości elektronowe i funkcje dielektryczne półprzewodnika In_0.5Tl_0.5I w ramach teorii funkcjonału gęstości. Został obliczony tensor efektywnej masy elektronów m* kryształów InI, In_0.5Tl_0.5I i TlI dla pasm walencyjnych i przewodnictwa oraz różnych K-punktów strefy Brillouina. Funkcje dielektryczne ε(hν) domieszkowanych kryształów roztworów stałych In0.5Tl0.5I z wakansami jodu i atomami międzywęzłowymi talu zostały obliczone z uwzględnieniem międzypasmowych i wewnątrz-pasmowych przejść elektronowych. Badania domieszkowanych kryształów ujawniły zwiększoną przewodność elektronową niskoczęstotliwościową i stacjonarną o anizotropii wynikającej z anizotropii tensora efektywnej masy elektronów. Przeprowadzone badania wyjaśniają obserwowane duże zmiany struktury pasmowej pochodzące z utworzenia pół wypełnionych poziomów donorowych w pobliżu niezajętych pasm przewodnictwa wynikających z defektów struktury krystalicznej, tj. wakansów jodu czy atomów międzywęzłową talu. Wykazano, że w przypadku kryształów rzeczywistych, w szczególności halogenków metali, właściwe uwzględnienie defektów w obliczeniach kwantowo-chemicznych daje możliwość lepszego dopasowania obliczeń teoretycznych do wyników doświadczalnych w porównaniu do obliczeń bazujących na strukturze krystalicznej doskonałej.