Dimensionality-Driven Evolution of Electronic Structure and Transport Properties in Pressure-Induced Phases of Ca2N Electride

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

We investigate how a change in dimensionality of interstitial electronic states in the Ca2N electride influences its electronic structure and transport properties. Employing the Maximally Localized Wannier Functions (MLWF) approach, we successfully describe the interstitial quasi-atomic states (ISQ) located in non-nuclear Wyckoff positions between Ca atoms. This allowed us to conclude that the electride subsystem is responsible for the formation of a band structure in the vicinity of the Fermi level in all Ca2N phases observed under pressure. Using the obtained MLWF basis, we calculate the electronic and thermal conductivity, along with the Seebeck coefficient, by solving the semi-classical Boltzmann transport equations. The results achieved permit the conclusion that the counterintuitive increase in resistance under pressure observed experimentally is attributed to enhanced localization of interstitial electronic states through electride subspace dimensionality transformations. We also established a substantial anisotropy in the transport properties within the 2D phase and found that the conductivity inside the plane of the electride layers is provided by electrons, while along the direction normal to the layers, holes become the majority carriers.

About the authors

M. A. Mazannikova

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences;Skolkovo Institute of Science and Technology;Department of Theoretical Physics and Applied Mathematics, Ural Federal University

Email: mazannikova@imp.uran.ru
620108, Yekaterinburg, Russia;121205, Moscow, Russia;620002, Yekaterinburg, Russia

Dm. M. Korotin

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences;Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: mazannikova@imp.uran.ru
620108, Yekaterinburg, Russia;121205, Moscow, Russia

V. I. Anisimov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences;Skolkovo Institute of Science and Technology;Department of Theoretical Physics and Applied Mathematics, Ural Federal University

Email: mazannikova@imp.uran.ru
620108, Yekaterinburg, Russia;121205, Moscow, Russia;620002, Yekaterinburg, Russia

A. R. Oganov

Skolkovo Institute of Science and Technology

Email: mazannikova@imp.uran.ru
121205, Moscow, Russia

D. Yu. Novoselov

Mikheev Institute of Metal Physics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences;Skolkovo Institute of Science and Technology;Department of Theoretical Physics and Applied Mathematics, Ural Federal University

Author for correspondence.
Email: mazannikova@imp.uran.ru
620108, Yekaterinburg, Russia;121205, Moscow, Russia;620002, Yekaterinburg, Russia

References

  1. P. P. Edwards, Science 333, 49 (2011).
  2. Q. Zhu, T. Frolov, and K. Choudhary, Matter 1, 1293 (2019).
  3. D. Y. Novoselov, D. M. Korotin, A. O. Shorikov, A. R. Oganov, V. I. Anisimov, JETP Lett. 109, 387 (2019).
  4. D. Y. Novoselov, D. M. Korotin, A. O. Shorikov, A. R. Oganov, and V. I. Anisimov, J. Phys.: Condens. Matter 32, 445501 (2020).
  5. D. Y. Novoselov, D. M. Korotin, A. O. Shorikov, V. I. Anisimov, and A. R. Oganov, J. Phys. Chem. C 125, 15724 (2021).
  6. D. Y. Novoselov, V. I. Anisimov, and A. R. Oganov, Phys. Rev. B 103, 235126 (2021).
  7. H. Hosono and M. Kitano, Chem. Rev. 121, 3121 (2021).
  8. Z. Wan, W. Xu, T. Yang, and R. Zhang, Phys. Rev. B 106, L060506 (2022).
  9. S. Liu, C. Wang, H. Jeon, Y. Jia, and J. H. Cho, Phys. Rev. B 105, L220401 (2022).
  10. Z. Liu, Q. Zhuang, F. Tian, D. Duan, H. Song, Z. Zhang, and T. Cui, Phys. Rev. Lett. 127, 157002 (2021).
  11. A. Fujimori, Nat. Mater. 21, 1217 (2022).
  12. M. A. Mazannikova, D. M. Korotin, A. O. Shorikov, V. I. Anisimov, and D. Y. Novoselov, J. Phys. Chem. C 127, 8714 (2023).
  13. K. Lee, S. W. Kim, Y. Toda, S. Matsuishi, and H. Hosono, Nature 494, 336 (2013).
  14. X. Zhang and G. Yang, Phys. Chem. Lett. 11, 3841 (2020).
  15. J. Li, S. Inagi, T. Fuchigami, H. Hosono, and S. Ito, Electrochem.Commun. 44, 45 (2014).
  16. T. Kocabas, A. Ozden, I. Demiroglu, D. C¸ akır, and C. Sevik, J. Phys. Chem. Lett. 9, 4267 (2018).
  17. B. Sa, R. Xiong, C. Wen, Y. L. Li, P. Lin, Q. Lin, and Z. Sun, J. Phys. Chem. C 124, 7683 (2020).
  18. D. Liu and D. Tomanek, Nano Lett. 19, 1359 (2019).
  19. H. Tang, B. Wan, B. Gao, Muraba et al. (Collaboration), Adv. Sci. 5, 1800666 (2018).
  20. D. Y. Novoselov, M. A. Mazannikova, D. M. Korotin, A. O. Shorikov, M. A. Korotin, V. I. Anisimov, and A. R. Oganov, J. Phys. Chem. Lett. 13, 7155 (2022).
  21. I. Souza, N. Marzari, and D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 65, 035109 (2001).
  22. G. Pizzi, D. Volja, B. Kozinsky, M. Fornari, and N. Marzari, Comput. Phys.Commun. 185, 422 (2014).
  23. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. B 77, 3865 (1996).
  24. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al. (Collaboration), Phys. Condens. Matter. 21, 395502 (2009).
  25. A. A. Mosto, J. R. Yates, G. Pizzi, Y.-S. Lee, I. Souza, D. Vanderbilt, and N. Marzari, Comput. Phys.Commun. 185, 2309 (2014).
  26. R. F. Bader, Chem. Rev. 91, 893 (1991).
  27. A. Otero-de-la-Roza, E. R. Johnson, and V. Luan˜a, Comp. Phys.Comm. 185, 1007 (2014).
  28. A. Savin, R. Nesper, S. Wengert, and T. F. F¨assler, Angew Chem.Int. Ed. Engl. 36, 1808 (1997).
  29. Y. Ma, M. Eremets, A. R. Oganov, Y. Xie, I. Trojan, S. Medvedev, and V. Prakapenka, Nature 458, 182 (2009).
  30. T. Matsuoka and K. Shimizu, Nature 458, 186 (2009).
  31. T. Yabuuchi, Y. Nakamoto, K. Shimizu, and T. Kikegawa, J. Phys. Soc. Jpn. 74, 2391 (2005).
  32. N. W. Ashcroft, Nature 458, 158 (2009).
  33. S. Kasap, Thermoelectric e ects in metals: thermocouples, Department of Electrical Engineering University of Saskatchewan, Canada (2001).
  34. D. M. Rowe, CRC handbook of thermoelectrics: macro to nano, RC, Boca Raton, FL. (2006).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».