การศึกษาแบบเฟิร์สพรินซิเพิลเชิงระบบของสาร Y3Al5-xGaxO12 เพื่อการทำนายสมบัติเชิงโครงสร้างและโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์อย่างมีประสิทธิภาพ
Article Sidebar
Main Article Content
บทคัดย่อ
สารกลุ่มการ์เน็ตที่มี Y3Al5O12 เป็นส่วนประกอบหลัก มีความสำคัญในเทคโนโลยีด้านแสงสว่างในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามพบว่ามีปัญหาบางประการที่ทำให้เทคโนโลยีด้านนี้แสดงประสิทธิภาพได้ไม่เต็มที่ เช่น การดักอิเล็กตรอนแบบตื้นและดัชนีการแสดงสีต่ำ (ค่า CRI) ปัญหาเหล่านี้สามารถแก้ไขได้โดยการผสมสาร Y3Al5O12 กับ Y3Ga5O12 ทำให้ได้สาร Y3Al5-xGaxO12 ซึ่งจำเป็นต้องปรับอัตราส่วนการผสมอย่างละเอียด (x ใน Y3Al5-xGaxO12) เพื่อให้ได้สมบัติที่ต้องการ การใช้การทำนายด้วยทฤษฎีที่แม่นยำ เช่น ทฤษฎีฟังก์ชันนอลความหนาแน่น (DFT) สามารถช่วยประหยัดเวลาและสารตั้งต้นที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์สารการ์เน็ต Y3Al5-xGaxO12 เนื่องจากค่า x ที่เหมาะสมสามารถประมาณได้ในทางทฤษฎี อย่างไรก็ตามสาร Y3Al5O12 มีโครงสร้างขนาดใหญ่ เพื่อให้ได้ผลการคำนวณ DFT ที่แม่นยำ โดยไม่ใช้เวลาในการคำนวณมากเกินไปจำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงระบบ เพื่อปรับค่าพารามิเตอร์ในการคำนวณให้ได้ระดับความแม่นยำที่ยอมรับได้ ดังนั้น ในงานนี้จึงได้ปรับหาค่าพารามิเตอร์การคำนวณที่เหมาะสม โดยการทดสอบการลู่เข้าของผลต่างพลังงานรวม ผลการคำนวณค่าคงที่แลตทิซ และผลการคำนวณค่าช่องว่างแถบพลังงาน (band gap) เทียบกับผลการทดลอง ทั้งนี้ค่าพารามิเตอร์การคำนวณที่ทำการทดสอบ ได้แก่ ค่าความหนาแน่นของจำนวนจุดในปริภูมิส่วนกลับ (k-point mesh) ค่าพลังงานระงับ (energy cutoff) และการประมาณ exchange-correlation จากผลการทดสอบการลู่เข้าของพลังงาน ได้ค่าความหนาแน่น k-point ค่าพลังงานระงับสำหรับการกระจายฟังก์ชันคลื่น เมื่อใช้ศักย์เทียม (pseudopotential) สำหรับอะตอม Y, Al, Ga และ O จาก SSSP library และ PseudoDojo ผลการคำนวณค่าคงที่แลตทิซ (lattice constant) ค่อนข้างสอดคล้องกับการทดลองเป็นอย่างดี โดยมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยระดับ 1% เมื่อคำนวณด้วย PBE exchange-correlation การประมาณ exchange-correlation แบบ PBE ให้ค่าช่องว่างแถบพลังงานต่ำกว่าการทดลอง 3 eV และค่าคลาดเคลื่อนระหว่างผลที่คำนวณได้กับการทดลองลดเหลือประมาณ 0.6 eV เมื่อคำนวณด้วย PBE0 (hybrid functional) ผลที่ได้ทำให้ทราบค่าพารามิเตอร์การคำนวณ DFT ที่เหมาะสมที่ให้ค่าการคำนวณที่น่าเชื่อถือโดยไม่ใช้เวลาในการคำนวณมากเกินไป
Article Details
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
ต้นฉบับที่ได้รับการตีพิมพ์ถือเป็นสิทธิของเจ้าของต้นฉบับและของวารสารวิชาการ มทร.สุวรรณภูมิ เนื้อหาบทความในวารสารเป็นแนวคิดของผู้แต่ง มิใช่เป็นความคิดเห็นของคณะกรรมการการจัดทำวารสาร และมิใช่ความรับผิดชอบของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลสุวรรณภูมิ
References
Bispo-Jr, A. G., Saraiva, L. F., Lima, S. A. M., Pires, A. M., & Davolos, M. R. (2021). Recent prospects on phosphor-converted LEDs for lighting, displays, phototherapy, and indoor farming. Journal of Luminescence, 237, 118167.
Chen, J., Liu, Y., Mei, L., Peng, P., Cheng, Q., & Liu, H. (2016). Design of a yellow-emitting phosphor with enhanced red emission via valence state-control for warm white LEDs application. Scientific Reports, 6(1), 31199.
Chen, L., Lin, C.-C., Yeh, C.-W., & Liu, R.-S. (2010). Light Converting inorganic phosphors for white light-emitting diodes. Materials, 3(3), 2172–2195.
Chernyshev, V. A., Serdcev, A. V., Petrov, V. P., Nikiforov, A. E., Avram, C. N., & Avram, N. M. (2017). The crystal structure of rare earth impurity centers R3+ in Y3Al5O12: Ab Initio calculations. AIP Conference Proceedings, 1916(1), 030005.
Dai, Z., Boiko, V., Grzeszkiewicz, K., Saladino, M. L., Li, J., & Hreniak, D. (2020). Effect of annealing treatment on the persistent luminescence of Y3Al2Ga3O12:Ce3+,Cr3+,Pr3+ ceramics. Optical Materials, 105, 109888.
Fasoli, M., Vedda, A., Nikl, M., Jiang, C., Uberuaga, B. P., Andersson, D. A., McClellan, K. J., & Stanek, C. R. (2011). Band-gap engineering for removing shallow traps in rare-earth Lu3Al5O12 garnet scintillators using Ga3+ doping. Physical Review B, 84(8), 081102.
Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., Ceresoli, D., Chiarotti, G. L., Cococcioni, M., Dabo, I., Corso, A. D., de Gironcoli, S., Fabris, S., Fratesi, G., Gebauer, R., Gerstmann, U., Gougoussis, C., Kokalj, A.,
Lazzeri, M., … Wentzcovitch, R. M. (2009). QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter, 21(39), 395502.
Grimme, S. (2006). Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction. Journal of Computational Chemistry, 27(15), 1787-1799.
Hamann, D. R. (2013). Optimized norm-conserving Vanderbilt pseudopotentials. Physical Review B, 88(8), 085117.
Haranath, D., Chander, H., Sharma, P., & Singh, S. (2006). Enhanced luminescence of Y3Al5O12:Ce3+ nanophosphor for white light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 89(17), 173118.
Hua, H., Feng, S., Ouyang, Z., Shao, H., Qin, H., Ding, H., Du, Q., Zhang, Z., Jiang, J., & Jiang, H. (2019). YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application. Journal of Advanced Ceramics, 8(3), 389–398.
Klinkla, R., Sakulsupich, V., Pakornchote, T., Pinsook, U., & Bovornratanaraks, T. (2018). The crucial role of density functional nonlocality and on-axis CH3NH3 rotation induced I2 formation in hybrid organic-inorganic CH3NH3PbI3 cubic perovskite. Scientific Reports, 8(1), 13161.
Kohn, W., & Sham, L. J. (1965). Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Physical Review, 140(4A), A1133-A1138.
Ma, R., Ma, C., Zhang, J., Long, J., Wen, Z., Yuan, X., & Cao, Y. (2017). Energy transfer properties and enhanced color rendering index of chromaticity tunable green-yellow-red-emitting Y3Al5O12: Ce3+, Cr3+ phosphors for white light-emitting diodes. Optical Materials Express, 7(2), 454-467.
Muñoz-García, A. B., Anglada, E., & Seijo, L. (2009). First-principles study of the structure and the electronic structure of yttrium aluminum garnet Y3Al5O12. International Journal of Quantum Chemistry, 109(9), 1991-1998.
Nakatsuka, A., Yoshiasa, A., & Yamanaka, T. (1999). Cation distribution and crystal chemistry of Y3Al5-xGaxO12 (0 ≤x≤ 5) garnet solid solutions. Acta Crystallographica Section B, 55(3), 266-272.
Prandini, G., Marrazzo, A., Castelli, I. E., Mounet, N., & Marzari, N. (2018). Precision and efficiency in solid-state pseudopotential calculations. Npj Computational Materials, 4(1), 1-13.
Stevenson, A. J., Li, X., Martinez, M. A., Anderson, J. M., Suchy, D. L., Kupp, E. R., Dickey, E. C., Mueller, K. T., & Messing, G. L. (2011). Effect of SiO2 on densification and microstructure development in Nd:YAG transparent ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 94(5), 1380-1387.
Sun, H., Piquette, A., Raukas, M., & Moustakas, T. D. (2016). Enhancement of yellow light extraction efficiency of Y3Al5O12:Ce3+ ceramic converters using a 2-D TiO2 hexagonal-lattice nanocylinder photonic crystal layer. IEEE Photonics Journal, 8(1), 1-10.
Tkatchenko, A., & Scheffler, M. (2009). Accurate molecular Van Der Waals interactions from ground-state electron density and free-atom reference data. Physical Review Letters, 102(7), 073005.
Ueda, J., Dorenbos, P., Bos, A. J. J., Kuroishi, K., & Tanabe, S. (2015). Control of electron transfer between Ce3+ and Cr3+ in the Y3Al5-xGaxO12 host via conduction band engineering. Journal of Materials Chemistry C, 3(22), 5642-5651.
Ueda, J., Tanabe, S., & Nakanishi, T. (2011). Analysis of Ce3+ luminescence quenching in solid solutions between Y3Al5O12 and Y3Ga5O12 by temperature dependence of photoconductivity measurement. Journal of Applied Physics, 110(5), 053102.
van Setten, M. J., Giantomassi, M., Bousquet, E., Verstraete, M. J., Hamann, D. R., Gonze, X., & Rignanese, G.-M. (2018). The PseudoDojo: Training and grading a 85 element optimized norm-conserving pseudopotential table. Computer Physics Communications, 226, 39-54.
Vrubel, I. I., Polozkov, R. G., Shelykh, I. A., Khanin, V. M., Rodnyi, P. A., & Ronda, C. R. (2017). Bandgap engineering in yttrium–aluminum garnet with Ga doping. Crystal Growth & Design, 17(4), 1863-1869.
Xu, Y.-N., & Ching, W. Y. (1999). Electronic structure of yttrium aluminum garnet Y3Al5O12. Physical Review B, 59(16), 10530–10535.
Yadav, S. K., Uberuaga, B. P., Nikl, M., Jiang, C., & Stanek, C. R. (2015). Band-gap and band-edge engineering of multicomponent garnet scintillators from first principles. Physical Review Applied, 4(5), 054012.
Yousif, A., Kumar, V., Ahmed, H. A. A. S., Som, S., Noto, L. L., Ntwaeaborwa, O. M., & Swart, H. C. (2014). Effect of Ga3+ doping on the photoluminescence properties of Y3Al5-xGaxO12:Bi3+ phosphor. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 3(11), R222.