Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 2


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

ELECTRONIC, OPTICAL, AND VIBRATIONAL PROPERTIES OF LAYERED In0.3Ga0.7Se: A DFT AND RAMAN STUDY

K.K. Azizova, Z.A. Jahangirli, T.K. Nurubeyli, L.Ch. Suleymanova, A.H. Sultanova, N.V. Kerimli, S.O. Gulieva, S.S. Osmanova, L.V. Mammadov and N.V. Kazimova


ABSTRACT

The electronic structure, optical response, and vibrational properties of the In0.3Ga0.7Se crystal were investigated using first-principles density functional theory. The dielectric tensor components were calculated, enabling a detailed analysis of the refractive index, extinction coefficient, absorption coefficient, optical conductivity, and reflectivity for light polarized parallel and perpendicular to the optical axis. The results identify In0.3Ga0.7Se as a direct-gap semiconductor with a fundamental band gap of 1.91 eV, highlighting its potential for optoelectronic applications in the visible spectral range. To elucidate the electronic structure, atom-projected partial densities of states were analyzed, revealing the contributions of In, Ga, and Se orbitals to the valence and conduction bands. The vibrational properties were examined through a combined theoretical and experimental approach using density-functional perturbation theory and Raman spectroscopy. A direct comparison between the calculated phonon modes and the experimental Raman spectrum allowed the assignment of five Raman-active modes at 40, 111, 180, 225, and 256 cm-1, corresponding to A1, B1, E2, and E1 symmetry representations. The associated atomic displacement patterns were analyzed to clarify the nature of lattice vibrations in the mixed-cation system. In addition, the temperature dependence of the heat capacity was calculated over the range of 0–400 K, providing insight into the thermodynamic behavior of In0.3Ga0.7Se. The overall agreement between the calculated phonon frequencies and experimental Raman data confirms the reliability of the first-principles approach and establishes a consistent description of the electronic, optical, vibrational, and thermodynamic properties of this non-equiatomic In–Ga–Se solid solution

Keywords: In0.3Ga0.7Se crystals, density functional theory, electronic structure, optical anisotropy, Raman spectroscopy, phonon properties

UDC: 538.958

    1. Huang, W., Gan, L., Li, H., Ma, Y., & Zhai, T. (2016). 2D layered group IIIA metal chalcogenides: synthesis, properties and applications in electronics and optoelectronics. CrystEngComm, 18(22), 3968-3984.
      doi:10.1039/C5CE01986A
    2. Srivastava, R. P., Ranjan, P., Kumar, M., & Katiyar, A. K. (2025). 2D materials in functional optoelectronics: recent advances and future prospects. Nanotechnology, 36(39), 392001.
      doi:10.1088/1361-6528/ae074a
    3. Giri, A., Park, G., & Jeong, U. (2023). Layer-structured anisotropic metal chalcogenides: recent advances in synthesis, modulation, and applications. Chemical Reviews, 123(7), 3329-3442.
      doi:10.1021/acs.chemrev.2c00455
    4. Emir, C., Tataroglu, A., Coskun, E., & Bilge Ocak, S. (2024). Structural and optical properties of interfacial InSe thin film. Acs Omega, 9(7), 7588-7596.
      doi:10.1021/acsomega.3c06600
    5. Bassou, A., Rajira, A., El Kanouny, A., Abounadi, A., El Haskouri, J., & Almaggoussi, A. (2021). Optical properties of GaSe, characterization and simulation. Materials Today: Proceedings, 37, 3789-3792.
      doi:10.1016/j.matpr.2020.07.622
    6. Liang, W. Y. (1973). Optical properties of layered compounds. Journal of Physics C: Solid State Physics, 6, 551-559.
      doi:10.1088/0022-3719/6/3/018
    7. Sato, Y., Tang, C., Watanabe, K., Nakajima, M., Yamamoto, T., Tezuka, N., Tanabe, T. & Oyama, Y. (2021). Optical and Electrical Properties of InxGa1−xSe Mixed Crystal Grown from Indium Flux by Traveling Heater Method. Journal of Electronic Materials, 50(5), 2649-2655.
      doi:10.1007/s11664-020-08689-4
    8. Yang, L., Zhou, G. J., & Lin, C. G. (2023). Composition-dependent properties and network structure of Ge-Se-Te chalcogenide glasses. Chalcogenide Lett., 20(1), 1-9.
      doi:10.15251/CL.2023.201.1
    9. Ning, C. Z., Dou, L., & Yang, P. (2017). Bandgap engineering in semiconductor alloy nanomaterials with widely tunable compositions. Nature Reviews Materials, 2(12), 1-14.
      doi:10.1038/natrevmats.2017.70
    10. Mammadova, G. N., Nurubeyli, T. K., Gulieva, S. O., Azizova, K. K., & Zeynalova, S. J. (2025). Dielectric and Optical Properties of Au-Doped TlInSe2 for Advanced Optoelectronic Devices. Physica B: Condensed Matter, 417900.
      doi:10.1016/j.physb.2025.417900
    11. Molina-Sanchez, A., & Wirtz, L. (2011). Phonons in single-layer and few-layer MoS2 and WS2. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, 84(15), 155413.
      doi:10.1103/PhysRevB.84.155413
    12. Hasan, M., & Hossain, A. A. (2022). First-principles calculations to investigate the structural, electronic, optical anisotropy, and bonding properties of a newly synthesized ThRhGe equiatomic ternary intermetallic superconductor. Results in Physics, 42, 106004.
      doi:10.1016/j.rinp.2022.106004
    13. Yi, J. X., Zhang, R. Z., Zhang, Y. Y., & Du, S. X. (2024). First-principle study of the electronic structure of layered Cu2Se. Journal of Physics: Condensed Matter, 36(5), 055501.
      doi:10.1088/1361-648X/ad05fc
    14. Alsalama, M. M., Hamoudi, H., Abdala, A., Ghouri, Z. K., & Youssef, K. M. (2020). Enhancement of thermoelectric properties of layered chalcogenide materials. Reviews on Advanced Materials Science, 59(1), 371-378.
      doi:10.1515/rams-2020-0023
    15. Jahangirli, Z. A., Asadullayeva, S. G., Amiraslanov, I. R., Eyyubov, Q. Y., Rahimli, A. B., & Abiyev, A. S. (2025). Ab initio and experimental investigations of the electronic and optical properties of pure and p-aminopyridine-intercalated In1.2Ga0.8S3. Indian Journal of Physics, 99, 2087-2092.
      doi:10.1007/s12648-024-03452-5
    16. Azizova, K. K., Jahangirli, Z. A., Ragimov, S. S., Nurubeyli, T. K., Suleymanova, L. C., Kerimli, N., Mammadova, G. N., Mammadov, L., & Gulieva, S. O. (2025). Ab initio calculations of the electronic structure and optical properties of Cu4SeTe crystals. Ukrainian Journal of Physical Optics, 26(4), 4049-4057.
      doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2025.04049
    17. Jahangirli, Z. A., Rahimli, A. B., Mehdiyev, B. H., Seidov, R. G., Bayramova, T. O., Osmanova, S. S., & Guliyev, J. A. (2025). Electronic structure and optical properties of layered chalcogenides. Physics of the Solid State, 67(5), 373-377.
      doi:10.1134/S1063783425600980
    18. Blaha, P., Schwarz, K., Tran, F., Laskowski, R., Madsen, G. K., & Marks, L. D. (2020). WIEN2k: An APW+ lo program for calculating the properties of solids. The Journal of Chemical Physics, 152(7).
      doi:10.1063/1.5143061
    19. Blöchl, P. E., Jepsen, O., & Andersen, O. K. (1994). Improved tetrahedron method for Brillouin-zone integrations. Physical Review B, 49(23), 16223.
      doi:10.1103/PhysRevB.49.16223
    20. Perdew, J. P., Burke, K., & Ernzerhof, M. (1996). Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters, 77(18), 3865.
      doi:10.1103/PhysRevLett.77.3865
    21. Tran, F., & Blaha, P. (2009). Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential. Physical Review Letters, 102(22), 226401.
      doi:10.1103/PhysRevLett.102.226401
    22. Giannozzi, P., De Gironcoli, S., Pavone, P., & Baroni, S. (1991). Ab initio calculation of phonon dispersions in semiconductors. Physical Review B, 43(9), 7231.
      doi:10.1103/PhysRevB.43.7231
    23. Baroni, S., de Gironcoli, S., Dal Corso, A., & Giannozzi, P. (2001). Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory. Reviews of Modern Physics, 73, 515-562.
      doi:10.1103/RevModPhys.73.515
    24. Gonze, X. (1997). First-principles responses of solids to atomic displacements and homogeneous electric fields. Physical Review B, 55, 10337-10354.
      doi:10.1103/PhysRevB.55.10337
    25. Gonze, X., & Lee, C. (1997). Dynamical matrices, Born effective charges, and dielectric permittivity tensors. Physical Review B, 55, 10355-10368.
      doi:10.1103/PhysRevB.55.10355
    26. Gonze, X., Beuken, J.-M., Caracas, R., Detraux, F., Fuchs, M., Rignanese, G.-M., Sindic, L., Verstraete, M., Zerah, G., Jollet, F., Torrent, M., Roy, A., Mikami, M., Ghosez, Ph., Raty, J.-Y., & Allan, D. C. (2002). First-principles computation of material properties: The ABINIT project. Computational Materials Science, 25, 478-492.
      doi:10.1016/S0927-0256(02)00325-7
    27. Nurubeyli, T., Hashimov, A., Nurubayli, Z., Nuriyev, K., & Imamverdiyev, N. (2025). Application of inductively coupled plasma mass spectrometry for geochemical analysis of rocks to enhance oil and gas production forecasting. Mining of Mineral Deposits, 19(3), 43-50.
      doi:10.33271/mining19.03.043
    28. Hartwigsen, C., Goedecker, S., & Hutter, J. (1998). Relativistic separable dual-space Gaussian pseudopotentials. Physical Review B, 58, 3641-3662.
      doi:10.1103/PhysRevB.58.3641
    29. Monkhorst, H. J., & Pack, J. D. (1976). Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B, 13, 5188-5192.
      doi:10.1103/PhysRevB.13.5188
    30. Mouhat, F., & Coudert, F.-X. (2014). Necessary and sufficient elastic stability conditions in various crystal systems. Physical Review B, 90, 224104.
      doi:10.1103/PhysRevB.90.224104
    31. Amiraslanov, I. R., Azizova, K. K., Jahangirli, Z. A., Nabieva, S. A., Mammadov, F. M., Aliyeva, Y. R., Aliyeva, M. Kh., & Aliev, Z. S. (2021). Synthesis and characterization of new indium gallium selenides of the InSe-GaSe system. Journal of Solid State Chemistry, 304, 122569.
      doi:10.1016/j.jssc.2021.122569

    Електронну структуру, оптичний відгук і коливальні властивості кристала In0.3Ga0.7Se досліджено з використанням теорії функціоналу густини ab initio. Було розраховано компоненти тензора діелектричної функції, що дало змогу виконати детальний аналіз показника заломлення, коефіцієнта екстинкції, коефіцієнта поглинання, оптичної провідності та коефіцієнта відбивання для світла, поляризованого паралельно та перпендикулярно до оптичної осі. Отримані результати ідентифікують In0.3Ga0.7Se як прямозонний напівпровідник із фундаментальною шириною забороненої зони 1,91 еВ, що підкреслює його потенціал для оптоелектронних застосувань у видимому спектральному діапазоні. Для з’ясування особливостей електронної структури було проаналізовано атомно-проєктовані парціальні густини станів, які виявили внески орбіталей In, Ga та Se у формуванні валентної зони та зони провідності. Коливальні властивості досліджено за допомогою комбінованого теоретичного та експериментального підходу з використанням теорії збурень функціоналу густини та раманівської спектроскопії. Пряме порівняння розрахованих фононних мод з експериментальним спектром комбінаційного розсіювання дало змогу ідентифікувати п’ять раман-активних мод із частотами 40, 111, 180, 225 та 256 см-1, що відповідають симетрійним представленням A1, B1, E2, та E1. Відповідні картини атомних зміщень було проаналізовано для з’ясування природи коливань кристалічної ґратки в системі зі змішаними катіонами. Крім того, було розраховано температурну залежність теплоємності в інтервалі 0–400 К, що дало змогу охарактеризувати термодинамічну поведінку In0.3Ga0.7Se. Загальна узгодженість між розрахованими фононними частотами та експериментальними даними комбінаційного розсіювання підтверджує надійність ab initio підходу та забезпечує узгоджений опис електронних, оптичних, коливальних і термодинамічних властивостей цього нееквіатомного твердого розчину In–Ga–Se.

    Ключові слова: кристали In0.3Ga0.7Se, теорія функціоналу густини, електронна структура, оптична анізотропія, комбінаційна спектроскопія, фононні властивості


This work is licensed under CC BY 4.0