セリウムをドープしたイットトリウム酸化物の微細構造と電子特性：理論的洞察

三価セリウム（CE3+）ドープドープドープ酸化イトリウム（Y2O3）宿主クリスタルは、人気のある光学5D-4F遷移によりかなりの関心を集めています。Y2O3：CEシステムの優れた光学特性は、以前の研究で実証されていますが、微細構造はまだ不明のままです。Y2O3：CE微細構造の欠如は、潜在的なアプリケーションをさらに活用するための問題を構成する可能性があります。この意味で、密度汎関数理論計算と併せて、カリプソ構造検索方法に基づいて、Y2O3：CE結晶の構造進化を包括的に調査しました。私たちの結果は、R-3グループの対称性を備えたY2O3：CEの新しい菱面体相を明らかにします。ホストクリスタルでは、中央部位のY3+イオンは、ドープされたCE3+に自然に置き換えることができ、完璧なケージのような構成になります。不純物CE3+がホスト結晶にドープされると、Y2O3の結晶学的対称性が立方体から菱面体に変化するという興味深い相転移が見つかります。CE3+の公称濃度は3.125％であるため、ホストクリスタルの占有ポイントが異なるため、多くのメタスト可能な構造も識別されます。Y2O3：CEのX線回折パターンがシミュレートされ、理論的な結果は実験データに匹敵し、したがって最低のエネルギー構造の妥当性を示しています。フォノン分散の結果は、基底状態の構造が動的に安定していることを示しています。電子特性の分析は、Y2O3：CEが4.20 eVのバンドギャップを持っていることを示しています。これは、Y2O3ホスト結晶に不純物CE3+イオンを組み込むことで、半導体への絶縁体につながることを示唆しています。一方、結晶内のO原子の強い共有結合は、基底状態構造の安定性に大きく寄与する可能性があり、電子局在機能によって証明されています。これらの得られた結果は、Y2O3：CEの構造的および結合特性を解明し、実験現象を理解するための有用な洞察を提供することもできます。

Trivalent Cerium (Ce3+) doped Yttrium Oxide (Y2O3) host crystal has drawn considerable interest due to its popular optical 5d-4f transition. The outstanding optical properties of Y2O3:Ce system have been demonstrated by previous studies but the microstructures still remain unclear. The lacks of Y2O3:Ce microstructures could constitute a problem to further exploit its potential applications. In this sense, we have comprehensively investigated the structural evolutions of Y2O3:Ce crystals based on the CALYPSO structure search method in conjunction with density functional theory calculations. Our result uncovers a new rhombohedral phase of Y2O3:Ce with R-3 group symmetry. In the host crystal, the Y3+ ion at central site can be naturally replaced by the doped Ce3+, resulting in a perfect cage-like configuration. We find an interesting phase transition that the crystallographic symmetry of Y2O3 changes from cubic to rhombohedral when the impurity Ce3+ is doped into the host crystal. With the nominal concentration of Ce3+ at 3.125%, many metastable structures are also identified due to the different occupying points in the host crystal. The X-ray diffraction patterns of Y2O3:Ce are simulated and the theoretical result is comparable to experimental data, thus demonstrating the validity of the lowest energy structure. The result of phonon dispersions shows that the ground state structure is dynamically stable. The analysis of electronic properties indicate that the Y2O3:Ce possesses a band gap of 4.20 eV which suggests that the incorporation of impurity Ce3+ ion into Y2O3 host crystal leads to an insulator to semiconductor transition. Meanwhile, the strong covalent bonds of O atoms in the crystal, which may greatly contribute to the stability of ground state structure, are evidenced by electron localization function. These obtained results elucidate the structural and bonding characters of Y2O3:Ce and could also provide useful insights for understanding the experimental phenomena.