Energy structure of mixed halide CeF2Cl and CeFCl2 crystals

Я.М. Чорнодольський; В.О. Карнаушенко; С.О. Ігнацевич; А.С. Волошиновський; С.В. Сиротюк; П.І. Ванкевич; П.А. Болкот; А.Й. Дерев’янчук

doi:10.15330/pcss.25.2.250-254

Автор(и)

Я.М. Чорнодольський Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
В.О. Карнаушенко Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
С.О. Ігнацевич Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
А.С. Волошиновський Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
С.В. Сиротюк Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, Україна
П.І. Ванкевич Нацiональна академія сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного, Львів, Україна
П.А. Болкот Нацiональна академія сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного, Львів, Україна
А.Й. Дерев’янчук Сумський державний університет, Суми, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.2.250-254

Ключові слова:

сцинтилятор, зонна структура, густина станів, екситон, метод проекційних приєднаних хвиль.

Анотація

Розраховано зонні енергетичні структури кристалів CeF₂Cl та CeFCl₂ за допомогою методу проекційних приєднаних хвиль (PAW) та гібридного обмінно-кореляційного функціоналу PBE0. Вершина валентної зони формується з 2p-станів F і 3p-станів Cl. В нижній частині зони провідності для обох кристалів між 5d-станами Ce спостерігається енергетична щілина, яка утворює дві підзони, 5d1 і 5d2, із різними ефективними масами електронів (2,49 m₀ і 0,19 m₀ для CeF₂Cl і 5,95 m₀ та 0,84 m₀ для CeFCl₂, відповідно). В забороненій зоні знаходяться 4f стани Ce. Отримані значення ширини забороненої зони кристалів CeF₂Cl та CeFCl₂ становлять 6 еВ та 4,6 еВ, відповідно.

Посилання

C. Dujardin, E. Auffray, E. Bourret-Courchesne, et al. Needs, trends, and advances in inorganic scintillators, IEEE Transactions on Nuclear Science, 65(8), 1977 (2018); https://doi.org/10.1109/TNS.2018.2840160.

K. Shimamura, E. Vı́llora, S. Nakakita, et al. Growth and scintillation characteristics of CeF3, PrF3 and NdF3 single crystals, Journal of crystal growth, 264(1-3), 208 (2004); https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2003.12.018.

F. Cappella, A. d’Angelo, and F. Montecchia, Performances and potential of a CeCl3 scintillator, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 618(1-3), 168, (2010); https://doi.org/10.1016/j.nima.2010.02.105.

F. G. A. Quarati, P. Dorenbos, J. van der Biezen, et al. Scintillation and detection characteristics of high-sensitivity CeBr3 gamma-ray spectrometers, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 729, 596 (2013); https://doi.org/10.1016/j.nima.2013.08.005.

A. Bessiere, P. Dorenbos, C.W.E. van Eijk, et al. Luminescence and scintillation properties of the small band gap compound LaI3: Ce3+, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 537(1-2), 22 (2005); https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.07.224.

M. D. Birowosuto, P. Dorenbos, Novel γ- and X-ray scintillator research: on the emission wavelength, light yield and time response of Ce3+ doped halide scintillators, Physica status solidi (a), 206(1), 9 (2009); https://doi.org/10.1002/pssa.200723669.

Ya. M. Chornodolskyy, V. O. Karnaushenko, S. V. Syrotyuk, et al. Energy structure of CeCl2Br and CeClBr2 crystals, Journal of Physical Studies, 27(3), 3702 (2023); https://doi.org/10.30970/jps.27.3702.

K. Przystupa, Ya. M. Chornodolskyy, Ja. Selech, et al. The Influence of Halide Ion Substitution on Energy Structure and Luminescence Efficiency in CeBr2I and CeBrI2 Crystals, Materials, 16(14), 5085 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16145085.

W. W. Moses, S. E. Derenzo, M. J. Weber, et al. Scintillation mechanisms in cerium fluoride, Journal of luminescence, 59(1-2), 89 (1994); https://doi.org/10.1016/0022-2313(94)90026-4.

K. Wei, Ch. Guo, J. Deng, Ch Shi, Electronic structure of CeF3 crystal, Journal of electron spectroscopy and related phenomena, 79, 83 (1996); https://doi.org/10.1016/0368-2048(96)02808-3.

D. F. Anderson, Cerium fluoride: a scintillator for high-rate applications, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 287(3), 606 (1990); https://doi.org/10.1016/0168-9002(90)91585-Y.

O. Guillot-Noël, J.T.M. de Haas, P. Dorenbos, et al. Optical and scintillation properties of cerium-doped LaCl3, LuBr3 and LuCl3, Journal of luminescence 85(1-3), 21 (1999); https://doi.org/10.1016/S0022-2313(99)00063-0.

E. V. D. van Loef, P. Dorenbos; C. W. E. van Eijk, et al. High-energy-resolution scintillator: Ce3+ activated LaBr3, Applied physics letters, 79(10), 1573 (2001); https://doi.org/10.1063/1.1385342.

G. Ren, P. Yu, Ch. Xiaofeng, et al. Growth, thermo-stability and radiation damage of cerium-doped lanthanum chloride (LaCl3: Ce) scintillation crystal, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 579(1), 11 (2007); https://doi.org/10.1016/j.nima.2007.04.003.

J. P. Perdew, Density functional theory and the band gap problem, International Journal of Quantum Chemistry 28(S19), 497 (1985); https://doi.org/10.1002/qua.560280846.

M. Nikl, Wide band gap scintillation materials: progress in the technology and material understanding, physica status solidi (a), 178(2), 595 (2000); https://doi.org/10.1002/1521-396X(200004)178:2<595::AID-PSSA595>3.0.CO;2-X.

M. Lewin, E. H. Lieb, and R. Seiringer, The local density approximation in density functional theory, Pure and Applied Analysis, 2(1), 35 (2020); https://doi.org/10.2140/paa.2020.2.35.

J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple, Physical review letters, 77(18), 3865 (1996); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865.

Data retrieved from the Materials Project for CeF3 (mp-510560) from database version v2022.10.28. https://doi.org/10.17188/1263001.

Data retrieved from the Materials Project for CeCl3 (mp-582011) from database version v2022.10.28. https://doi.org/10.17188/1276931.

Yu-Hong Dai, A perfect example for the BFGS method, Mathematical Programming, 138, 501 (2013); https://doi.org/10.1007/s10107-012-0522-2.

X. Gonze, B. Amadon, P.-M. Anglade, et al. ABINIT: First-principles approach to material and nanosystem properties, Computer Physics Communications, 180(12), 2582 (2009); https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.07.007.

Ya. M. Chornodolskyy, V. O. Karnaushenko, V. V. Vistovskyy, et al. Energy band structure peculiarities and luminescent parameters of CeX3 (X= Cl, Br, I) crystals, Journal of Luminescence, 237, 118147 (2021); https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118147.

O. Kochan, Ya. Chornodolskyy, Ja. Selech, et al. Energy Structure and Luminescence of CeF3 Crystals, Materials 14(15), 4243 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14154243.

M. Loyd, L. Stand, D. Rutstrom, et al. Investigation of CeBr3−xIx scintillators, Journal of Crystal Growth, 531, 125365 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.125365.

H. Wei, V. Martin, A. Lindsey, et al. The scintillation properties of CeBr3−xClx single crystals, Journal of luminescence 156, 175 (2014); https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2014.08.015.