Б. Балбашио1, А.А. Скрылев2, Д.В. Шестаков3, Л.М. Виноградова4, И.С. Белоконь5, А.В. Нежданов6, А.И. Машин7

1–7 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского (г. Нижний Новгород, Россия)
1 bbalbasi@gmail.com, 2 skrylev.lexa@mail.ru, 3 danil.shestakov@unn.ru, 4 lidiya.vinogradova@unn.ru, 5belocon.11.do@gmail.com, 6 nezhdanov@phys.unn.ru, 7 mashin@unn.ru

Постановка проблемы. Исследование структурных и электронных свойств полупроводниковых материалов является актуальной задачей современной физики твердого тела, особенно в контексте поиска новых материалов для оптоэлектронных применений.

Цель. Исследовать структурные и электронные свойства соединения ZnSnN2 с использованием теории функционала плотности (DFT) и определить его электронные характеристики.

Результаты. Выполнены расчеты электронной структуры с применением программного пакета Quantum ESPRESSO. Отмечено, что полученные параметры решетки после оптимизации хорошо согласуются с литературными данными. Проведен анализ зонной структуры и плотности состояний (PDOS) с использованием функционала PBE. Дополнительно уточнена электронная структура ZnSnN2 с использованием волновых функций, полученных при помощи функционала PBE, с последующей коррекцией в стиле HSE. С учетом данной корректировки установлено, что материал обладает прямой запрещенной зоной шириной 1.60 эВ, что соответствует экспериментальным данным.

Практическая значимость. Полученные результаты подтверждают, что ZnSnN2 является перспективным прямозонным полупроводником, пригодным для использования в устройствах оптоэлектроники, работающих в видимом диапазоне.

Балбашио Б., Скрылев А.А., Шестаков Д.В., Виноградова Л.М., Белоконь И.С., Нежданов А.В., Машин А.И. Исследование электронных свойств тройного соединения ZnSnN2 с помощью теории функционала плотности // Нелинейный мир. 2026. Т. 24. № 3. С. 29–40. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700970-202603-04

1. Parr R.G., Yang W. Density-Functional Theory of Atoms and Molecules. Oxford University Press, 1989.
2. Thomas L.H. The calculation of atomic fields // Math. Proc. Cambridge Philos. Soc. 1927. V. 23(5). P. 542–548.
3. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas // Phys. Rev. 1964. V. 136(3B). P. B864–B871.
4. Kohn W., Sham L.J. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects // Phys. Rev. 1965. V. 140(4A). P. A1133–A1138.
5. Giannozzi P. et al. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys.: Condens. Matter. 2009. V. 21(39). 395502. DOI: 10.1088/0953-8984/21/39/395502.
6. Giannozzi P. et al. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO // J. Phys.: Condens. Matter. 2017. V. 29(46). 465901. DOI: 10.1088/1361-648X/aa8f79.
7. Soler J.M. et al. The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation // J. Phys.: Condens. Matter. 2002.
   V. 14(11). P. 2745–2779.
8. Perdew J.P. et al. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77(18). P. 3865–3868.
9. Dirac P.A.M. Quantum Mechanics of Many-Electron Systems // Proc. Roy. Soc. A. 1929. V. 123(792). P. 714–733.
10. de Broglie L. Recherches sur la théorie des quanta. Doctoral Thesis. Université de Paris, 1924.
11. Schrödinger E. Quantisierung als Eigenwertproblem // Ann. Phys. 1926. V. 79(4). P. 361–376.
12. Sze S.M., Ng K.K. Physics of Semiconductor Devices, 3rd ed., Wiley, 2007.
13. Yu P.Y., Cardona M. Fundamentals of Semiconductors: Physics and Materials Properties, 4th ed., Springer, 2010.
14. Ashcroft N.W., Mermin N.D. Solid State Physics. Harcourt. Brace & World, 1976.
15. Falkovsky L.A. (2022). Features of interband absorption in narrow-gap semiconductors // arXiv:0802.2007. 2008.
16. Dal Corso A. Pseudopotentials periodic table: From H to Pu // Comput. Mater. Sci. 2014. V. 95. P. 337–350. DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.07.043.
17. Martin R.M. Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods. Cambridge University Press. 2004.
18. Payne M.C. et al. Iterative minimization techniques for ab initio total-energy calculations: molecular dynamics and conjugate gradients // Rev. Mod. Phys. 1992. V. 64(4). P. 1045–1097.
19. Hamann D.R., Schlüter M., Chiang C. Norm-Conserving Pseudopotentials // Phys. Rev. Lett. 1979. V. 43(20). P. 1494–1497.
20. Blöchl P.E. Projector Augmented-Wave Method // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 17953.
21. Wang T., Ni C., Janotti A. Band alignment and p-type doping of ZnSnN2 // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. 205205. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.205205.
22. Materials Project. Materials Data on ZnSnN₂ // OSTI Dataset. 2020. DOI: 10.17188/1750980.
23. Senabulya N. et al. Stabilization of orthorhombic phase in single-crystal ZnSnN2 films // AIP Adv. 2016. V. 6(7). 075019. DOI:10.1063/1.4960109.
24. Quayle P.C. et al. Synthesis, lattice structure, and band gap of ZnSnN2 // MRS Commun. 2013. V. 3(3). P. 135–138. DOI: 10.1557/mrc.2013.19.
25. Fioretti A.N. et al. Combinatorial insights into doping control and transport properties of zinc tin nitride // arXiv:1504.01819, 2015.
26. Skrylev A.A. et al. Electrophysical properties of cation-disordered ZnSnN2 films: temperature dependences and thermal annealing // Physica B. 2025. V. 721. 418058.
27. Skrylev A.A. et al. Raman spectroscopy study of disorder in cation sublattice of nonstoichiometric and annealed ZnSnN2 // Opt. Mater. 2024. V. 156. 116035.
28. Nezhdanov A.V. et al. Mixed phase ZnSnN₂ thin films for solar energy applications: Insight into optical and electrical properties // Opt. Mater. 2023. V. 144. 114335.
29. BURAI 1.3. A GUI of Quantum ESPRESSO. URL: https://www.burai.org (дата обращения: 01.01.2025).
30. Momma K., Izumi F. VESTA 3 for visualization of crystal, volumetric and morphology data. URL: https://jp-minerals.org/vesta/en/ (дата обращения: 01.01.2025).
31. Materials Project. Materials Data on ZnSnN2 (mp‑1029469). Dataset. United States: Department of Energy, 2020. DOI: 10.17188/1750980. URL: https://www.osti.gov/dataexplorer/biblio/dataset/1750980 (дата обращения: 24.10.2025).
32. Murnaghan F.D. The Compressibility of Media under Extreme Pressures // Proc. Natl. Acad. Sci. 1944. V. 30(9). P. 244–247. DOI: 10.1073/pnas.30.9.244.
33. Punya A., Lambrecht W.R.L., van Schilfgaarde M. Quasiparticle band structure of Zn-IV-N2 compounds // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. 165204.
34. Python Software Foundation. Python Language Reference. URL: https://www.python.org (дата обращения: 01.01.2025).
35. Deng F. et al. Determination of the Basic Optical Parameters of ZnSnN₂ // Opt. Lett. 2015. V. 40(7). P. 1282–1285. DOI: 10.1364/OL.40.001282.
36. Балбашио Б. и др. Анализ кристаллической структуры ZnSnN₂ методами рентгеновской дифракции // Нанотехнологии: разработка, применение – XXI век. 2025. Т. 17. № 3. С. 26–33. DOI DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j22250980-202503-03
37. Ong S.P. et al. Python Materials Genomics (pymatgen): A robust, open-source Python library for materials analysis // Comput. Mater. Sci. 2013. V. 68. P. 314–319. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.10.028.