Modeling of Structure, Thermodynamic Properties and Phase Transition Temperatures of II-VI Crystals

Abstract

У роботі запропоновано моделі кластерів поліморфних модифікацій – кубічного сфалериту і гексагонального вюрциту для стехіометричних кристалів ІІ-VI (ZnX, CdX; X = S, Se, Te). Із використанням ab initio розрахунків обчислено величини термодинамічних параметрів за нормальних умов, визначено аналітичні вирази температурних залежностей енергії ΔЕ та ентальпії ΔH, вільної енергії Гіббса ΔG, ентропії ΔS для сфалеритних фаз стехіометричних кристалів цинк і кадмій халькогенідів. Розраховано температурні залежності теплоємності при сталому тиску CP і при сталому об’ємі CV, визначено температури фазового переходу "сфалерит-вюрцит" для кристалів ZnTe, ZnSe, ZnS.

На основе кристаллографических параметров и электронного строения идеальных стехиометрических кристаллов цинк и кадмий халькогенидов ZnX, CdX (X = S, Se, Te) разработаны модели кластеров для сфалеритной и вюрцитной фаз, с использованием которых вычислены энергия ΔЕ, энтальпия ΔH, свободная энергия Гиббса ΔG и энтропия ΔS кубических идеальных стехиометрических кристаллов ZnS, ZnSe, ZnTe и CdS, CdSe, CdTe. Осуществлен расчет и сравнение с экспериментом изохорной CV и изобарной CP молярных теплоемкостей стехиометрических кристаллов цинк и кадмий халькогенидов. Из полученных температурных зависимостей свободная энергия Гиббса определены температуры полиморфных фазовых переходов «сфалерит-вюрцит».

The work is devoted to the theoretical calculations and experimental study of important thermodynamic parameters of II-VI crystals. Cubic sphalerite and hexagonal wurtzite cluster models of polymorphs for stoichiometric II-VI crystals (ZnX, CdX; X = S, Se, Te) have been proposed. In the work one carried out the calculations of thermodynamic parameters under normal conditions and defined the analytical expressions of temperature dependences for energy ΔE, enthalpy ΔH, Gibbs free energy ΔG, entropy ΔS for sphalerite phase stoichiometric crystals of zinc and cadmium chalcogenides. Using the results of DFT-calculations according to equality of Gibbs free energy for sphalerite and wurtzite phases (ΔGS = ΔGW) of zinc chalcogenides crystals we defined phase transition "sphalerite-wurtzite" temperatures, which decreased in the line ZnS (1454 K) – ZnSe (1427 K) – ZnTe (1382 K) and was found the specified region of stability for these polymorphs.