First-Principles Calculation of Electronic Structure and Effective Mass of a TlInS$_{2}$ Crystal

Abstract

Electronic structure, DOS effective mass, conductivity effective mass, reduced effective mass are calculated for a TlInS 2 crystal from first principles within the framework of the density functional theory. The electronic structure of TlInS 2 is investigated by the Quantum Wise and Quantum Espresso software program packages within the LDA and SGGA corrections, respectively. The band structures calculated with use of the FHI exchangecorrelation and relativistic pseudopotentials show that both the valence band maximum and the conduction band minimum located at the  point of the Brillouin zone. The top of the valence band and the bottom of the conduction band originate generally from 6s-states of Tl atoms and 5s-states of In atoms. Influence of the spin-orbit interaction on the electronic structure is investigated. As found, inclusion of the spin-orbit interaction is not essential for the energy states near the gap and removes the band degeneracy along the -Z symmetry line, but does not remove the degeneracy at the , Z, and , Y points. The maximum value of the spin-orbit splitting is  0.3 eV. The effective masses along [001], [010], and [100] directions are calculated taking into account non-parabolicity of the bands. In this paper, DOS effective mass, conductivity effective mass, and reduced effective mass are calculated theoretically for the first time.Key words: LDA, GGA, spin-orbit interaction, DOS effective mass, conductivity effective mass. . У цій роботі було вперше теоретично розрахо-вано DOS-ефективну масу, ефективну масу провідности, наведену ефек-тивну масу, що досі не зустрічалися в літературі.Ключові слова: LDA, GGA, спін-орбітальна взаємодія, DOS-ефективна маса, ефективна маса провідности.Для кристалла TlInS 2 из первых принципов в рамках теории функциона-ла плотности были рассчитаны: электронная структура, DOS-эффектив-ная масса, эффективная масса проводимости, приведённая эффективная масса. Электронная структура кристалла была изучена с использованием пакетов программ Quantum Wise и Quantum Espresso, соответственно, в LDA-и SGGA-приближениях. Зонные структуры, рассчитанные с исполь-зованием обменно-корреляционного потенциала FHI и релятивистского псевдопотенциала, показывают, что потолок валентной зоны и дно зоны проводимости расположены в центре зоны Бриллюэна. Потолок валент-ной зоны и дно зоны проводимости в основном происходят из 6s-состояний атомов Tl и 5s-состояний атомов In. Также исследовалось вли-яние спин-орбитального взаимодействия на энергетический спектр. Было установлено, что учёт спин-орбитального взаимодействия не существен для энергетических состояний вблизи запрещённой зоны, снимает вы-рождения зон по линии симметрии -Z, но не снимает вырождения в са-мих точках , Z, а также , Y. Максимальное спин-орбитальное расщеп-ление зон составляет  0,3 эВ. С учётом непараболичности зон были рас-считаны эффективные массы в направлениях [001], [010], [100]. В этой работе впервые теоретически рассчитаны DOS-эффективная масса, эф-фективная масса проводимости, приведённая эффективная масс...

Electronic and Optical Properties of the TlInS2 Crystal: Theoretical and Experimental Studies

“…The first calculation of the TlInS 2 band structure using the LDA functional was reported by Ismayilova and Orudzhev [7]. In that paper, underestimated values of the bandgap (1.43 eV and 1.25 eV) were obtained by the HGH and FHI pseudopotentials, respectively.…”

“…The electrical measurements show a strong anisotropy of the conductivity, which is rather temperature independent. The presence of an excitonic peak was registered at 2.58 eV, and the spin-orbit splitting of the valence band at the Γ point at 2.87 eV was observed at 10 K. * corresponding author; e-mail: tanya.babuka@gmail.com First-principle calculation of the electronic structure of TlInS 2 crystal was presented for the first time in [7]. They were using the local density approximation (LDA) and spin-polarized generalized gradient approximation (SGGA) functional with the account of spin-orbit interaction, and only the energy band spectra and values of the effective mass tensor components were calculated.…”