Developing the amazing photocatalyst of ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 and ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 through the computational explorations by four DFT functionals

• DOI: 10.1016/j.heliyon.2021.e07467
• Publication Date: 2021-07-01T16:46:26Z
• Authors: Ajoy Kumer; Unesco Chakma
• Keywords: Electronic structure; Computational chemistry; Science (General); Photocatalytic Materials for Solar Energy Conversion; Materials Science; 02 engineering and technology; Crystal (programming language); Electronic band structure; Analytical Chemistry (journal); Q1-390; Engineering; Band gap; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Materials Chemistry; Atom (system on chip); Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Embedded system; Applications of Quantum Dots in Nanotechnology; H1-99; Chromatography; Energy; Crystallography; Renewable Energy, Sustainability and the Environment; Crystal structure; Physics; Photocatalyst; Density of states; Dielectric function; Condensed matter physics; Computer science; Materials science; Programming language; Social sciences (General); Thin-Film Solar Cell Technology; Direct and indirect band gaps; Chemistry; Physical Sciences; Photocatalysts; 0210 nano-technology; Research Article

Pour le développement du photocatalyseur de cristal trimestriel de type stannite, la structure électronique et les propriétés optiques de ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0,93Fe0,07Se4 et ZnAg2Ge0,86Fe0,14Se4 ont été calculées et comparées avec le cristal trimestriel de type stannite parent, ZnAg2GeS4. Tout d'abord, les quatre fonctions, telles que GGA avec PBE, GGA avec RPBE, GGA avec WC et LDA avec fonctions CA-PZ ont été utilisées pour le criblage primaire de la structure de bande électronique et de la géométrie structurelle pour ZnAg2GeS4 alors que la bande interdite était respectivement de 0,93, 0,97, 0,77 et 0,67 eV. Il faut mentionner que la valeur expérimentale de ZnAg2GeS4 était de 0,94 eV de sorte que le GGA avec PBE a montré la valeur de chevauchement de la bande interdite. L'objectif principal de cet article est d'évaluer la structure de bande du cristal trimestriel de type stannite nouvellement prédit, ZnAg2GeSe4 en utilisant quatre méthodes remplaçant l'atome de soufre par l'atome de sérium sur ZnAg2GeS4. La bande interdite pour quatre méthodes, telles que GGA avec PBE, GGA avec RPBE, GGA avec WC et LDA avec des fonctions CA-PZ, ont été calculées en 0,84 eV, 0,92 eV, 0,68 eV et 0,58 eV. Par la suite, l'atome de Fe a été dopé par deux parties, comme 7% et 14%, pour faire la formule empirique, ZnAg2Ge0,93Fe0,07Se4 et ZnAg2Ge0,86Fe0,14Se4. Les valeurs numériques des bandes interdites pour ZnAg2Ge0,93Fe0,07Se4 et ZnAg2Ge0,86Fe0,14Se4 étaient de 0,43 eV, 0,53 eV, 0,35 eV et 0,18 eV et 0,24 eV, 0,31 eV, 0,18 eV et 0,08 eV, respectivement, en utilisant les quatre méthodes DFT respectées. Pour leurs orbitales contributives de chaque atome sur le cristal, la densité d'état et la densité partielle d'état pour les cristaux de ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0,93Fe0,07Se4 et ZnAg2Ge0,86Fe0,14Se4 ont été simulées à l'aide de la méthode GGA avec PBE comme norme en ce qui concerne le calcul de la comparaison de l'étude de la bande interdite avec la magnitude expérimentale. Pour donner des informations supplémentaires sur la nature en cas de preuve optique, les six propriétés optiques, telles que l'absorption, la réflexion, l'indice de réfraction, la conductivité, la fonction diélectrique et la fonction de perte ont été calculées et font une étude comparative. En cas d'absorption de la lumière UV dans les paramètres d'éclairage optique, le ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 peut montrer la région d'absorption la plus élevée jusqu'à la région d'énergie de commodité en tant que photocatalyseur.<br/>Para desarrollar el fotocatalizador de cristal trimestral de tipo estannita, se calcularon la estructura electrónica y las propiedades ópticas de ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 y ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 y se compararon con el cristal trimestral de tipo estannita original, ZnAg2GeS4. En primer lugar, los cuatro funcionales, como GGA con PBE, GGA con RPBE, GGA con WC y LDA con funcionales CA-PZ, se utilizaron para el cribado primario de la estructura de la banda electrónica y la geometría estructural para ZnAg2GeS4, mientras que la brecha de banda fue de 0.93, 0.97, 0.77 y 0.67 eV, respectivamente. Cabe mencionar que el valor experimental de ZnAg2GeS4 fue de 0.94 eV por lo que el GGA con PBE mostró el valor de superposición de banda prohibida. El objetivo principal de este documento es evaluar la estructura de bandas del cristal trimestral de tipo estannita recién predicho, ZnAg2GeSe4, utilizando cuatro métodos que reemplazan el átomo de azufre por el átomo de serio en ZnAg2GeS4. La brecha de banda para cuatro métodos, como GGA con PBE, GGA con RPBE, GGA con WC y LDA con funcionalidades CA-PZ, se calcularon en 0.84 eV, 0.92 eV, 0.68 eV y 0.58 eV. Después, el átomo de Fe se dopó en dos porciones, como 7% y 14%, para hacer la fórmula empírica, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 y ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4. Los valores numéricos de las brechas de banda para ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 y ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 fueron 0.43 eV, 0.53 eV, 0.35 eV y 0.18 eV y 0.24 eV, 0.31 eV, 0.18 eV y 0.08 eV, respectivamente, utilizando los cuatro métodos DFT respetados. Para sus orbitales aportados de cada átomo en el cristal, la densidad de estado y la densidad parcial de estado para los cristales ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 y ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 se simularon a través del GGA con el método PBE como estándar con respecto al cálculo de la comparación del estudio de banda prohibida con la magnitud experimental. Para dar la información adicional sobre la naturaleza en caso de evidencia óptica, se calcularon las seis propiedades ópticas, como absorción, reflexión, índice de refracción, conductividad, función dieléctrica y función de pérdida, y se realizó un estudio comparativo. En caso de absorción de luz UV en parámetros ópticos de iluminación, el ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 puede mostrar la mayor absorción hasta la región de energía de conveniencia como fotocatalizador.<br/>For developing the stannite type quarterly crystal photocatalyst, the electronic structure and optical properties of ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 and ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 were calculated and compared with the parent stannite type quarterly crystal, ZnAg2GeS4. First of all, the four functionals, such as GGA with PBE, GGA with RPBE, GGA with WC and LDA with CA-PZ functionals were used for primary screening of electronic band structure and structural geometry for ZnAg2GeS4 while the band gap was in 0.93, 0.97, 0.77 and 0.67 eV, respectively. It must be mentioned that the experimental value of ZnAg2GeS4 was 0.94 eV so that the GGA with PBE showed the overlapping value of band gap. The main focus of this paper is to evaluate the band structure of newly predicted the stannite type quarterly crystal, ZnAg2GeSe4 using four methods replacing the Sulfur atom by Serium atom on ZnAg2GeS4. The band gap for four methods, such as GGA with PBE, GGA with RPBE, GGA with WC and LDA with CA-PZ functionals, were calculated in 0.84 eV, 0.92 eV, 0.68 eV and 0.58 eV. Afterward, Fe atom was doped by two portions, like 7% and 14%, to make the empirical formula, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 and ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4. The numerical values of band gaps for ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 and ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 were 0.43 eV, 0.53 eV, 0.35 eV and 0.18 eV and 0.24 eV, 0.31 eV, 0.18 eV and 0.08 eV, respectively, using the four respected DFT methods. For their contributed orbitals of each atom on crystal, the density of state and the partial density of state for ZnAg2GeSe4, ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 and ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 crystals were simulated through the GGA with PBE method as standard regarding the calculation of band gap study comparison with experimental magnitude. For giving the further information about the nature in case of optical evidence, the six optical properties, such as absorption, reflection, refractive index, conductivity, dielectric function and loss function were calculated, and make a comparative study. In case of UV light absorption in lighten to optical parameters, the ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 can show the highest absorption up to convenience energy region as photocatalyst.<br/>لتطوير المحفز الضوئي البلوري الفصلي من نوع ستانيت، تم حساب البنية الإلكترونية والخصائص البصرية لـ ZnAg2GeSe4 و ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 و ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 ومقارنتها مع الكريستال الفصلي من نوع ستانيت الأصلي، ZnAg2GeS4. بادئ ذي بدء، تم استخدام الوظائف الأربع، مثل GGA مع PBE و GGA مع RPBE و GGA مع WC و LDA مع وظائف CA - PZ للفحص الأولي لهيكل النطاق الإلكتروني والهندسة الهيكلية لـ ZnAg2GeS4 بينما كانت فجوة النطاق في 0.93 و 0.97 و 0.77 و 0.67 فولت، على التوالي. تجدر الإشارة إلى أن القيمة التجريبية لـ ZnAg2GeS4 كانت 0.94 فولت بحيث أظهرت GGA مع PBE القيمة المتداخلة لفجوة النطاق. ينصب التركيز الرئيسي لهذه الورقة على تقييم بنية النطاق للبلورة الفصلية من نوع ستانيت المتنبأ بها حديثًا، ZnAg2GeSe4 باستخدام أربع طرق لتحل محل ذرة الكبريت بذرة سيريوم على ZnAg2GeS4. تم حساب فجوة النطاق لأربع طرق، مثل GGA مع PBE و GGA مع RPBE و GGA مع WC و LDA مع وظائف CA - PZ، في 0.84 eV و 0.92 eV و 0.68 eV و 0.58 eV. بعد ذلك، تم إعطاء ذرة الحديد جزأين، مثل 7 ٪ و 14 ٪، لصنع الصيغة التجريبية، ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 و ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4. كانت القيم العددية لفجوات النطاق لـ ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 و ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 هي 0.43 eV و 0.53 eV و 0.35 eV و 0.18 eV و 0.24 eV و 0.31 eV و 0.18 eV و 0.08 eV، على التوالي، باستخدام طرق DFT الأربعة المحترمة. بالنسبة لمداراتها المساهمة لكل ذرة على البلورة، تمت محاكاة كثافة الحالة والكثافة الجزئية لحالة ZnAg2GeSe4 و ZnAg2Ge0.93Fe0.07Se4 و ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 من خلال GGA باستخدام طريقة PBE كمعيار فيما يتعلق بحساب مقارنة دراسة فجوة النطاق مع الحجم التجريبي. لإعطاء المزيد من المعلومات حول الطبيعة في حالة الأدلة البصرية، تم حساب الخصائص البصرية الست، مثل الامتصاص والانعكاس ومؤشر الانكسار والموصلية ووظيفة العزل الكهربائي ووظيفة الفقد، وإجراء دراسة مقارنة. في حالة امتصاص ضوء الأشعة فوق البنفسجية في التخفيف إلى المعلمات البصرية، يمكن أن يُظهر ZnAg2Ge0.86Fe0.14Se4 أعلى امتصاص يصل إلى منطقة طاقة ملائمة كمحفز ضوئي.<br/>