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
Author Information
1,2K.K. Azizova
,
1,3Z.A. Jahangirli
,
1,4,5,*T.K. Nurubeyli
,
6L.Ch. Suleymanova
,
7A.H. Sultanova,
8N.V. Kerimli
,
9S.O. Gulieva
,
10S.S. Osmanova
,
11L.V. Mammadov
,
12N.V. Kazimova
1Institute of Physics of the Ministry of Science and Education of the Republic of Azerbaijan, H. Javid Ave., 131, Baku, AZ-1073, Azerbaijan
2Western Caspian University, 21 Ahmad Rajabli, Baku, AZ-1072, Azerbaijan
3Baku State University, Zahid Khalilov Str., 23, Baku, AZ-1148, Azerbaijan
4Azerbaijan State Oil and Industry University, Azadliq Avenue, 20, Baku, AZ-1010, Azerbaijan
5Khazar University, Mahsati Str. 41, Baku, AZ 1096, Azerbaijan
6Mingachevir State University, 21 D. Aliyeva Str., Mingachevir, AZ-4500, Azerbaijan
7Nakhchivan State University, A. Aliyev 11, AZ-7000, Nakhchivan city, Azerbaijan
8Azerbaijan Medical University, Samad Vurgun Str.167, Baku AZ-1022, Azerbaijan
9The Academy of Public Administration under the President of the Republic of Azerbaijan, 74 Lermontov Str., Baku, AZ-1001, Azerbaijan
10Azerbaijan Technical University, H.Javid Ave. 25, Baku, AZ-1073, Azerbaijan
11Baku Engineering University, Hasan Aliyev Str. 120, Khirdalan city, AZ-0101, Absheron, Baku, Azerbaijan
12Azerbaijan Technological University, 103 Shah Ismayil Khatai Ave., AZ-2011 Ganja, Azerbaijan
*Corresponding author: omartarana@gmail.com
Ukr. J. Phys. Opt.
Vol. 27
,
Issue 2 , pp. 02043 - 02057 (2026).
doi:10.3116/16091833/Ukr.J.Phys.Opt.2026.02043
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
- 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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 - 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