Spin–orbit coupling effect on electronic, linear and nonlinear optical properties of Bi2S3 and the ternary bismuth sulfide Bi2S2.75Se0.25: Ab-initio calculations
Description
Although the relevant properties of the bismuthinite Bi2S3, it was recently approved that the substitution of Se atoms in the Bi2S3 lattice can significantly enhance its electro-optical properties. In the present work, a detailed study on the structural, electronic and optical properties of Bi2S2.75Se0.25 has been carried out based on first principle calculations. The simultaneous effect of Se-doping and spin–orbit coupling (SOC) on bismuth sulfide Bi2S3 was investigated. Our calculations show that Bi2S2.75Se0.25 exhibits a narrow direct band gap of 1.062 eV after inclusion of the (SOC). The calculation of the carrier effective masses indicates that Bi2S2.75Se0.25 may possess a high electron mobility material which is in accordance with experimental studies. The linear absorption optical spectra for both Bi2S3 and Bi2S2.75Se0.25 show that doping bismuthinite with (Se) increases the optical absorption coefficient in the visible range and takes a value up to 10105 cm−1. In addition, the dielectric function, optical conductivity and the energy loss function of Bi2S3 and Bi2S2.75Se0.25 were also derived. The addition of the (Se) content induces a red shift in agreement with experimental studies. A noticeable effect of the (SOC) on the linear optical parameters was observed. The stability of the excitons was also studied by the estimation of the binding energy value. The dispersion energy parameters of Bi2S3 and Bi2S2.75Se0.25 were estimated using a single oscillator model. Some nonlinearities have been computed with and without inclusion of (SOC) showing that Bi2S2.75Se0.25 with large nonlinear optical parameters is promising candidate in photonic switching applications.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
على الرغم من الخصائص ذات الصلة للبزموت Bi2S3، فقد تمت الموافقة مؤخرًا على أن استبدال ذرات Se في شبكة Bi2S3 يمكن أن يعزز بشكل كبير خصائصه الكهروضوئية. في العمل الحالي، تم إجراء دراسة مفصلة حول الخصائص الهيكلية والإلكترونية والبصرية لـ Bi2S2.75Se0.25 بناءً على حسابات المبدأ الأول. تم التحقيق في التأثير المتزامن لاقتران Se - doping و spin - orbit (SOC) على كبريتيد البزموت Bi2S3. تُظهر حساباتنا أن Bi2S2.75Se0.25 يُظهر فجوة نطاق مباشر ضيقة تبلغ 1.062 إلكترون فولت بعد تضمين (SOC). يشير حساب الكتل الفعالة للحامل إلى أن Bi2S2.75Se0.25 قد يمتلك مادة حركية عالية الإلكترون تتوافق مع الدراسات التجريبية. تُظهر أطياف الامتصاص الضوئية الخطية لكل من Bi2S3 و Bi2S2.75Se0.25 أن إشابة البزموتنيت مع (Se) يزيد من معامل الامتصاص البصري في النطاق المرئي ويأخذ قيمة تصل إلى 10105 سم-1. بالإضافة إلى ذلك، تم أيضًا اشتقاق وظيفة العزل الكهربائي والموصلية الضوئية ووظيفة فقدان الطاقة لـ Bi2S3 و Bi2S2.75Se0.25. تؤدي إضافة محتوى (SE) إلى تحول أحمر بالاتفاق مع الدراسات التجريبية. لوحظ تأثير ملحوظ لمخزون الكربون العضوي في التربة (SOC) على المعلمات البصرية الخطية. كما تمت دراسة استقرار الإكسيتون من خلال تقدير قيمة طاقة الربط. تم تقدير معلمات طاقة التشتت لـ Bi2S3 و Bi2S2.75Se0.25 باستخدام نموذج مذبذب واحد. تم حساب بعض القيم غير الخطية مع وبدون تضمين (SOC) مما يدل على أن Bi2S2.75Se0.25 مع المعلمات البصرية الكبيرة غير الخطية هو مرشح واعد في تطبيقات التبديل الفوتوني.Translated Description (French)
Bien que les propriétés pertinentes de la bismuthinite Bi2S3, il a été récemment approuvé que la substitution d'atomes de Se dans le réseau Bi2S3 peut améliorer considérablement ses propriétés électro-optiques. Dans le présent travail, une étude détaillée sur les propriétés structurelles, électroniques et optiques de Bi2S2.75Se0.25 a été réalisée sur la base de premiers calculs de principe. L'effet simultané du Se-dopage et du couplage spin-orbite (SOC) sur le sulfure de bismuth Bi2S3 a été étudié. Nos calculs montrent que Bi2S2.75Se0.25 présente une bande interdite directe étroite de 1.062 eV après inclusion du (SOC). Le calcul des masses effectives du porteur indique que Bi2S2.75Se0.25 peut posséder un matériau à mobilité électronique élevée qui est conforme aux études expérimentales. Les spectres optiques d'absorption linéaire pour Bi2S3 et Bi2S2.75Se0.25 montrent que le dopage de la bismuthinite avec (Se) augmente le coefficient d'absorption optique dans le domaine visible et prend une valeur allant jusqu'à 10105 cm−1. En outre, la fonction diélectrique, la conductivité optique et la fonction de perte d'énergie de Bi2S3 et Bi2S2.75Se0.25 ont également été dérivées. L'ajout de la teneur en (Se) induit un décalage vers le rouge en accord avec les études expérimentales. Un effet notable du (SOC) sur les paramètres optiques linéaires a été observé. La stabilité des excitons a également été étudiée par l'estimation de la valeur de l'énergie de liaison. Les paramètres d'énergie de dispersion de Bi2S3 et Bi2S2.75Se0.25 ont été estimés à l'aide d'un modèle à oscillateur unique. Certaines non linéarités ont été calculées avec et sans inclusion de (SOC) montrant que Bi2S2.75Se0.25 avec de grands paramètres optiques non linéaires est un candidat prometteur dans les applications de commutation photonique.Translated Description (Spanish)
A pesar de las propiedades relevantes de la bismutinita Bi2S3, recientemente se aprobó que la sustitución de átomos de Se en la red de Bi2S3 puede mejorar significativamente sus propiedades electroópticas. En el presente trabajo se ha realizado un estudio detallado sobre las propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de Bi2S2.75Se0.25 basado en cálculos de primer principio. Se investigó el efecto simultáneo de Se-doping y acoplamiento spin-órbita (SOC) sobre el sulfuro de bismuto Bi2S3. Nuestros cálculos muestran que Bi2S2.75Se0.25 exhibe una brecha de banda directa estrecha de 1.062 eV después de la inclusión del (SOC). El cálculo de las masas efectivas del portador indica que Bi2S2.75Se0.25 puede poseer un material de alta movilidad de electrones que está de acuerdo con los estudios experimentales. Los espectros ópticos de absorción lineal para Bi2S3 y Bi2S2.75Se0.25 muestran que el dopaje de bismutinita con (Se) aumenta el coeficiente de absorción óptica en el rango visible y toma un valor de hasta 10105 cm−1. Además, también se derivaron la función dieléctrica, la conductividad óptica y la función de pérdida de energía de Bi2S3 y Bi2S2.75Se0.25. La adición del contenido de (Se) induce un desplazamiento hacia el rojo de acuerdo con los estudios experimentales. Se observó un efecto notable del (SOC) en los parámetros ópticos lineales. La estabilidad de los excitones también se estudió mediante la estimación del valor de energía de unión. Los parámetros de energía de dispersión de Bi2S3 y Bi2S2.75Se0.25 se estimaron utilizando un modelo de oscilador único. Se han calculado algunas no linealidades con y sin inclusión de (SOC) que muestran que Bi2S2.75Se0.25 con grandes parámetros ópticos no lineales es un candidato prometedor en aplicaciones de conmutación fotónica.Files
latest.pdf.pdf
Files
(1.4 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:c662ed6414b70fca43bab04a74a66586
|
1.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تأثير الاقتران المداري الدوار على الخصائص البصرية الإلكترونية والخطية وغير الخطية لـ Bi2S3 وكبريتيد البزموت الثلاثي Bi2S2.75Se0.25: حسابات Ab - initio
- Translated title (French)
- Effet de couplage spin-orbite sur les propriétés optiques électroniques, linéaires et non linéaires de Bi2S3 et du sulfure de bismuth ternaire Bi2S2.75Se0.25 : calculs Ab-initio
- Translated title (Spanish)
- Efecto de acoplamiento espín-órbita sobre las propiedades ópticas electrónicas, lineales y no lineales de Bi2S3 y el sulfuro de bismuto ternario Bi2S2.75Se0.25: Cálculos Ab-initio
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4226028347
- DOI
- 10.1007/s11082-021-03411-y
References
- https://openalex.org/W144756261
- https://openalex.org/W1975610738
- https://openalex.org/W1981167895
- https://openalex.org/W1981368803
- https://openalex.org/W1983348184
- https://openalex.org/W2001335838
- https://openalex.org/W2005060062
- https://openalex.org/W2006436783
- https://openalex.org/W2012392706
- https://openalex.org/W2015596233
- https://openalex.org/W2018242101
- https://openalex.org/W2026386937
- https://openalex.org/W2030046422
- https://openalex.org/W2031653700
- https://openalex.org/W2045892584
- https://openalex.org/W2046690760
- https://openalex.org/W2059920046
- https://openalex.org/W2069629139
- https://openalex.org/W2071056016
- https://openalex.org/W2074304417
- https://openalex.org/W2075597372
- https://openalex.org/W2076769203
- https://openalex.org/W2084246021
- https://openalex.org/W2091462084
- https://openalex.org/W2093349410
- https://openalex.org/W2106439379
- https://openalex.org/W2109543305
- https://openalex.org/W2116466215
- https://openalex.org/W2150342787
- https://openalex.org/W2170608092
- https://openalex.org/W2178149432
- https://openalex.org/W2236345583
- https://openalex.org/W2411794455
- https://openalex.org/W2472484628
- https://openalex.org/W2509001272
- https://openalex.org/W2589097346
- https://openalex.org/W2610094898
- https://openalex.org/W2612703674
- https://openalex.org/W2767458357
- https://openalex.org/W2779783949
- https://openalex.org/W2808911644
- https://openalex.org/W2890465183
- https://openalex.org/W2942855760
- https://openalex.org/W2949341330
- https://openalex.org/W2953692921
- https://openalex.org/W2995209248
- https://openalex.org/W3001003885
- https://openalex.org/W3008735797
- https://openalex.org/W3021967421
- https://openalex.org/W3036474460
- https://openalex.org/W3119627553
- https://openalex.org/W3138966130
- https://openalex.org/W4256695911