Estudio por medio de cálculos de primeros principios de las propiedades cristalográficas y electrónicas del dicalcogenuro KTMS₂ (TM = Nb y Ta)

Abstract

Debido a sus excepcionales propiedades estructurales y electrónicas, los dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) se han consolidado recientemente como candidatos prometedores para su integración en electrónica avanzada y sistemas de almacenamiento de energía. En este trabajo, presentamos un estudio sistemático y predictivo de las propiedades estructurales, la estabilidad termodinámica y la estructura electrónica de los dicalcogenuros de potasio y metal de transición KTMS$_2$ (TM = Nb y Ta). Los cálculos se realizaron a partir de primeros principios dentro del marco de la Teoría de los Funcionales de la Densidad (DFT). El funcional de intercambio y correlación se trató mediante la Aproximación del Gradiente Generalizado (GGA) en su parametrización optimizada para sólidos, PBEsol. La estructura del estado fundamental para cuatro fases distintas ($\alpha$ y $\eta$ para KNbS$_2$, y $\zeta_1$ y $\zeta_2$ para KTaS$_2$) fue determinada ajustando la energía total en función del volumen a la Ecuación de Estado de Birch-Murnaghan de cuarto orden. Nuestros resultados energéticos indican que la fase $\eta$ es termodinámicamente más estable que la fase $\alpha$ en el sistema KNbS$_2$. Por otro lado, para el sistema KTaS$_2$, se determinó que las fases$\zeta_1$ y $\zeta_2$ son energéticamente degeneradas en el estado fundamental. El análisis de la estructura electrónica reveló un ancho de banda prohibida indirecto para las cuatro fases, donde el máximo de la banda de valencia (VBM) se localiza consistentemente en el punto $\Gamma$ del espacio $k$, mientras que el mínimo de la banda de conducción (CBM) se ubica a lo largo de la dirección $\Gamma-K$ en el punto $(u, u, 0)$. Los valores del gap fundamental calculados fueron de 0.80 eV, 0.75 eV y 0.68 eV para las fases $\alpha$, $\eta$ y $\zeta_1$ ($\zeta_2$), respectivamente. Estos estrechos gaps sugieren una fuerte absorción de fotones en la región del infrarrojo cercano (NIR), posicionando a estos materiales como candidatos prometedores para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos de baja energía.

Due to their exceptional structural and electronic properties, transition metal dichalcogenides (TMDs) have recently emerged as promising candidates for integration into advanced electronics and energy storage systems. In this work, we present a systematic and predictive study of the structural properties, thermodynamic stability, and electronic structure of potassium transition-metal dichalcogenides KTMS$_2$ (TM = Nb and Ta). The calculations were performed from first principles within the framework of Density Functional Theory (DFT). The exchange–correlation functional was treated using the Generalized Gradient Approximation (GGA) in its optimized parametrization for solids, PBEsol. The ground-state structure for four distinct phases ($\alpha$ and $\eta$ for KNbS$_2$, and $\zeta_1$ and $\zeta_2$ for KTaS$_2$) was determined by fitting the total energy as a function of volume to the fourth-order Birch–Murnaghan Equation of State. Our energetic results indicate that the η phase is thermodynamically more stable than the α phase in the KNbS$_2$ system. On the other hand, for the KTaS$_2$ system, the $\zeta_1$ and $\zeta_2$ phases were found to be energetically degenerate in the ground state. The electronic structure analysis revealed an indirect band gap for all four phases, where the valence band maximum (VBM) is consistently located at the $\Gamma$ point of the $k$-space, while the conduction band minimum (CBM) is positioned along the $\Gamma–K$ direction at the $(u, u, 0)$ point. The calculated fundamental gap values were 0.80 eV, 0.75 eV, and 0.68 eV for the $\alpha$, $\eta$, and $\zeta_1$ ($\zeta_2$) phases, respectively. These narrow gaps suggest strong photon absorption in the near-infrared (NIR) region, positioning these materials as promising candidates for application in low-energy photovoltaic devices.