First Principles Phase Diagram calculations for the CdSe-CdS wurtzite, zincblende and rock salt structures

The phase diagrams of CdSe1-xSx alloys were calculated for three different crystal structure types: wurtzite (B4); zinc-blende (B3); and rocksalt (B1). Ab initio calculations of supercell formation energies were fit to cluster expansion Hamiltonians, and Monte Carlo simulations were used to calculate finite temperature phase relations. The calculated phase diagrams have symmetric miscibility gaps for B3 and B4 structure types and a slightly asymmetric diagram for B1 structure. Excess vibrational contributions to the free energy were included, and with these, calculated consolute temperatures are: 270 K for B4; 300 K for B3; and 270 K for B1. Calculated consolute temperatures for all structures are in good quantitative agreement with experimental data.

---

Półprzewodnikowe związki Cd(Se,S) oraz ich stopy charakteryzują się szeroką bezpośrednią przerwą energetyczną i dlatego mogą być przydatne w urządzeniach optoelektronicznych, światłoczułych, detektorach promieniowania gamma, diodach elektroluminescencyjnych, laserach oraz ogniwach słonecznych. Ze względu na możliwość atrakcyjnych zastosowań półprzewodnikowe stopy CdSe1-xSx są w ostatnich latach przedmiotem rozważań teoretycznych oraz intensywnych badań doświadczalnych. Związki Cd(Se,S) w warunkach normalnych krystalizują w heksagonalnej strukturze wurcytu (B4) oraz metastabilnej, ściennie centrowanej strukturze blendy cynkowej (B3). Pod wpływem wysokiego ciśnienia struktury B4 oraz B3 zmieniają swoją formę krystaliczną i przekształcają się w gęstszą, ściennie centrowaną strukturę soli kamiennej (B1). Celem niniejszej pracy jest przeprowadzenie obliczeń diagramów fazowych oraz wyznaczenie krytycznej temperatury mieszalności dla stopów CdSe1-xSx krystalizujących w strukturach B4, B3 oraz B1. Diagramy fazowe zostały wyznaczone na podstawie potencjałów termodynamicznych obliczonych metodą całkowania termodynamicznego Monte Carlo. Zrealizowany proces obliczeń wskazuje na występowanie luk mieszalności w całym zakresie koncentracji CdSe1-xSx dla wszystkich rozpatrywanych sieci krystalicznych. Rezultaty uzyskane dla struktur sieci B4 oraz B3 charakteryzują się symetrycznymi lukami mieszalności. W przypadku struktur sieci B1 luka mieszalności wykazuje lekko asymetryczny charakter. Wyznaczone krytyczne temperatury mieszalności wynoszą 270 K, 300 K, 270 K odpowiednio dla struktur sieci B4, B3 i B1. W obliczeniach uwzględniono efekt drgań sieci, a uzyskane rezultaty wykazują dobrą zgodność z dostępnymi w literaturze danymi eksperymentalnymi.