Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 4


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

STRUCTURAL, ELECTRONIC AND INFRARED PHOTOLUMINESCENCE PROPERTIES OF Pb1-xEuxTe THIN FILMS: EXPERIMENTAL AND FIRST-PRINCIPLES STUDY

Mehrabova, M.A., Sadigov, R.M., Jahangirli, Z.A., Samadov, S.F., Abiyev, A.S., Hasanov, M.H., Hasanova, S.I. and Asadullayeva, S.G.

Author Information
1,2Mehrabova, M.A. ORCID logo, 1Sadigov, R.M., 2,5Jahangirli, Z.A. ORCID logo, 2,3Samadov, S.F. ORCID logo, 2,3,7Abiyev, A.S. ORCID logo, 1Hasanov, M.H., 8Hasanova, S.I., 2,4,6Asadullayeva, S.G. ORCID logo
1Azerbaijan Technical University, 25 Huseyn Javid Avenue, Baku, AZ1073, Azerbaijan
2Institute of Physics, Ministry of Science and Education, 131 Huseyn Javid Avenue, Baku, AZ1141, Azerbaijan
3Azerbaijan Architecture and Construction University, 5 Ayna Sultanova Street, Baku, AZ1073, Azerbaijan
4Azerbaijan State Oil and Industrial University, 41 Azadliq Avenue, Baku, AZ1010, Azerbaijan
5Baku State University, 33 Academician Zahid Khalilov Street, Baku, AZ1148, Baku, Azerbaijan
6Khazar University, 41 Mehseti St. Baku, AZ-1096, Azerbaijan
7Western Caspian University, 31 Istiglaliyyat Street, Baku 1001, Azerbaijan
8Azerbaijan University, 71 Jeyhun Hajibeyli Street, Baku AZ1007, Azerbaijan
*Corresponding author: saida.asadullayeva@asoiu.edu.az

ABSTRACT

Pb1-xEuxTe (x=0.1) thin films with a thickness of 1.5–2 μm were grown on glass and mica substrates by molecular beam condensation. X-ray diffraction revealed that the films crystallize mainly in the cubic PbTe phase with the Fm-3 space group, accompanied by a weak Eu-rich secondary phase with the Pm-3 space group. The substrate type strongly influenced the preferred orientation, with (200) texture observed on glass and (222) orientation on mica. Room-temperature photoluminescence measurements revealed pronounced infrared emission with three overlapping components centered at approximately 1779, 1811, and 1872 nm (0.697, 0.685, and 0.662 eV, respectively). The two higher-energy components are close to the ~0.70 eV band-gap value calculated for the Pb0.875Eu0.125Te (x=0.125) model, whereas the lower-energy component extends into the sub-gap region. The observed emission is consistent with contributions from electronic states near the band edges and an additional lower-energy radiative channel, although room-temperature PL alone cannot unambiguously assign the individual emission mechanisms

Keywords: PbEuTe thin films, photoluminescence, band structure, DFT, dielectric function

UDC: 535.373:539.23

    1. Nuriyev, I. R., Mehrabova, M. A., Nazarov, A. M., & Sadigov, R. M. (2016). Growth of epitaxial Cd1-xMnxTe films. Inorganic Materials, 52, 886-889.
      doi:10.1134/S0020168516090132
    2. Mekhrabov, A. O., & Mehrabova, M. A. (2024). Effect of gamma irradiation on structural and optical properties of CdMnTe epitaxial thin films. Materials Science Forum, 1119, 3-12.
      doi:10.4028/p-bUt1qb
    3. Nuriyev, I. R., Mehrabova, M. A., & Hasanov, N. H. (2018). Structure and surface morphology of Cd1-xMnxTe epitaxial films. Journal of Surface Investigation, 12, 504-506.
      doi:10.1134/S102745101803014X
    4. Nuriyev, I. R., Mehrabova, M. A., Nazarov, A. M., Sadigov, R. M., & Hasanov, N. H. (2017). On the growth, structure, and surface morphology of epitaxial CdTe films. Semiconductors, 51, 34-37.
      doi:10.1134/S1063782617010183
    5. Mehrabova, M. A., & Madatov, R. S. (2011). Calculation of the electron structure of vacancies and their compensated states in III-VI semiconductors. Semiconductors, 45, 998-1005.
      doi:10.1134/S1063782611080136
    6. Suzuki, N., & Adachi, S. (1994). Optical properties of PbTe. Japanese Journal of Applied Physics, 33, 193-198.
      doi:10.1143/JJAP.33.193
    7. Ekuma, C. E., Singh, D. J., Moreno, J., & Jarrell, M. (2012). Optical properties of PbTe and PbSe. Physical Review B, 85, 085205.
      doi:10.1103/PhysRevB.85.085205
    8. Kungumadevi, L., & Sathyamoorthy, R. (2012). Structural, electrical, and optical properties of PbTe thin films prepared by simple flash evaporation method. Advances in Condensed Matter Physics, 2012, 763209.
      doi:10.1155/2012/763209
    9. Zhong, Y., Tang, J., Liu, H., Chen, Z., Lin, L., Ren, D., Liu, B., & Ang, R. (2020). Optimized strategies for advancing n-type PbTe thermoelectrics: A review. ACS Applied Materials & Interfaces, 12, 49323-49334.
      doi:10.1021/acsami.0c15730
    10. Rogacheva, E. I., Nashchekina, O. N., & Menshikova, S. I. (2017). Size effects in transport properties of PbSe thin films. Journal of Electronic Materials, 46, 3842-3850.
      doi:10.1007/s11664-017-5481-1
    11. Trajic, J., Romcevic, M., Romcevic, N., Nikolic, S., Golubovic, A., Duric, S., & Nikiforov, V. N. (2004). Optical properties of PbTe:Mn. Journal of Alloys and Compounds, 365, 89-93.
      doi:10.1016/S0925-8388(03)00676-5
    12. Ismayilova, N. A., & Abiyev, A. S. (2026). Comprehensive first-principles engineering of TM-doped InP nanosheets for multifunctional device platforms: Spintronics and optoelectronics International. Journal of Modern Physics B, 40, 2650164.
      doi:10.1142/S021797922650164X
    13. Hu, Z.-K., & Chen, S.-W. (2022). Interfacial reactions in Cu/PbTe and Cu/PbSe couples. Journal of Alloys and Compounds, 899, 163299.
      doi:10.1016/j.jallcom.2021.163299
    14. Tian, Z., Garg, J., Esfarjani, K., Shiga, T., Shiomi, J., & Chen, G. (2012). Phonon conduction in PbSe, PbTe, and PbTe1-xSex from first-principles calculations. Physical Review B, 85, 184303.
      doi:10.1103/PhysRevB.85.184303
    15. Jia, B. H., Jiang, B. B., & He, J. Q. (2019). Recent advances of n-type low-cost PbSe-based thermoelectric materials. Materials Today Advances, 4, 100029.
      doi:10.1016/j.mtadv.2019.100029
    16. Abramof, E., Rappl, P. H. O., Ueta, A. Y., Motisuke, P.& Ferreira, S. O. (1999). PbEuTe/PbTe multi-quantum wells: Structural and optical properties. MRS Online Proceedings Library, 607, 339.
      doi:10.1557/PROC-607-339
    17. Yuan, S., Krenn, H., Springholz, G., Ueta, Y., Bauer, G., & McCann, P. J. (1997). Magnetoreflectivity of Pb1-xEuxTe epilayers and PbTe/Pb1-xEuxTe multiple quantum wells. Physical Review B, 55, 4607-4619.
      doi:10.1103/PhysRevB.55.4607
    18. Gibbs, Z. M., Kim, H., Wang, H., White, R. L., Drymiotis, F., Kaviany, M., & Snyder, G. J. (2013). Temperature dependent band gap in PbX (X = S, Se, Te). Applied Physics Letters, 103, 262109.
      doi:10.1063/1.4858195
    19. Braunstein, G., Dresselhaus, G., Heremans, J., & Partin, D. (1987). Magnetic properties of Pb1-xEuxTe grown by molecular-beam epitaxy. Physical Review B, 35, 1969-1972.
      doi:10.1103/PhysRevB.35.1969
    20. Pashkeev, D. A., Selivanov, Yu. G., Felder, F., & Zasavitskii, I. I. (2010). Dependence of photoluminescence spectra of epitaxial Pb1-xEuxTe (0 ≤ x ≤ 0.1) alloy layers on conditions of growth. Semiconductors, 44, 861-866.
      doi:10.1134/S1063782610070055
    21. 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
    22. Asadullayeva, S. G., Jahangirli, Z. A., Naghiyev, T. G., & Abiyev, A. S. (2025). Systematic analysis of the optical properties of ZnGa2Se4 single crystal. Current Applied Physics, 76, 39-44.
      doi:10.1016/j.cap.2025.05.007
    23. Asadullayeva, S. G., & Jahangirli, Z. A. (2025). Photoluminescence and magnetic properties of Nd-doped ZnGa2Se4. European Physical Journal B, 98, 142.
      doi:10.1140/epjb/s10051-025-00990-7
    24. Blaha, P., Schwarz, K., Madsen, G. K. H., Kvasnicka, D., & Luitz, J. (2001). WIEN2k: An augmented plane wave plus local orbitals program for calculating crystal properties. Technische Universität Wien.
    25. Perdew, J. P., Burke, K., & Ernzerhof, M. (1996). Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters, 77, 3865-3868.
      doi:10.1103/PhysRevLett.77.3865
    26. Xu, L., Zheng, Y., & Zheng, J.-C. (2010). Thermoelectric transport properties of PbTe under pressure. Physical Review B, 82, 195102.
      doi:10.1103/PhysRevB.82.195102
    27. Zhang, Y., Ke, X., Chen, C., Yang, J., & Kent, P. R. C. (2009). Thermodynamic properties of PbTe, PbSe, and PbS. Physical Review B, 80, 024304.
      doi:10.1103/PhysRevB.80.024304
    28. Chen, Z., Jian, Z., Li, W., Chang, Y., Ge, B., Hanus, R., Yang, J., Chen, Y., Huang, M., Snyder, G. J., & Pei, Y. (2017). Lattice dislocations enhancing thermoelectric PbTe in addition to band convergence. Advanced Materials, 29, 1606768.
      doi:10.1002/adma.201606768
    29. Gromovoj, Yu. S., Plyatsko, S. V., & Kostyunin, G. E. (1992). The superhyperfine structure in the EPR spectra of Eu²⁺ ions in PbTe films. Materials Letters, 13, 18-20.
      doi:10.1016/0167-577X(92)90170-O
    30. Górska, M., Anderson, J. R., Peng, J. L., Oka, Y., Jen, J. Y., Mogi, I., Ravot, D., & Gołacki, Z. (1997). Concentration dependence of the exchange interaction in Pb1-xEuxTe. Physical Review B, 55, 4400-4404.
      doi:10.1103/PhysRevB.55.4400
    31. Pirralho, M. J. P., Peres, M. L., Soares, D. A. W., Braga, P. C. O., Pena, F. S., Fornari, C. I., Rappl, P. H. O., & Abramof, E. (2017). Transition from negative to positive photoconductivity in p-type Pb1-xEuxTe films. Physical Review B, 95, 075202.
      doi:10.1103/PhysRevB.95.075202
    32. Wang, X., Veremchuk, I., Bobnar, M., Zhao, J., & Grin, Y. (2016). Solid solution Pb1-xEuxTe: Constitution and thermoelectric behavior. Inorganic Chemistry Frontiers, 3, 1152-1159.
      doi:10.1039/C6QI00161K
    33. Krataitong, C., Srichai, K., & Tubtimtae, A. (2021). Structural and optical properties of undoped and antimony-doped lead telluride thin films. Materials Letters, 285, 129085.
      doi:10.1016/j.matlet.2020.129085
    34. Miracle, J., Nichols, A., Cantrell, S., Myers, T., & Theodoropoulou, N. (2026). Epitaxial growth and structural characterization of PbTe thin films on CdTe(211)B: Evidence of a 180° twisted interface. Crystal Growth & Design, 26, 3267-3275.
      doi:10.1021/acs.cgd.5c01542
    35. Smajek, E., Szot, M., Kowalczyk, L., Domukhovski, V., Taliashvili, B., Dziawa, P., Knoff, W., Łusakowska, E., Reszka, A., Kowalski, B., Wiater, M., Wojtowicz, T., & Story, T. (2011). Optical and structural properties of Pb1-xEuxTe/CdTe//GaAs (001) heterostructures grown by MBE. Journal of Crystal Growth, 323, 140-143.
      doi:10.1016/j.jcrysgro.2010.11.150
    36. Goltsos, W., Nakahara, J., Nurmikko, A. V., & Partin, D. L. (1985). Photoluminescence in PbTe-PbEuTeSe multiquantum wells. Applied Physics Letters, 46, 1173-1175.
      doi:10.1063/1.95922
    37. Springholz, G., Kriechbaum, M., Hofmann, W., Geist, F., Pascher, H., Yuan, S., Krenn, H., & Bauer, G. (1993). Photoluminescence of semimagnetic PbEuTe/PbTe quantum wells in magnetic fields. Superlattices and Microstructures, 13, 25-28.
      doi:10.1006/spmi.1993.1005
    38. Samadov, S. F., Ismayilova, N., Popov, E., Tuyen, L. A., Trung, N. V. M., Samedov, O. A., Sidorin, A. A., Orlov, O. S., Jabarov, S., Hue, P. T., Hue, N. T. N., Tiep, N. V., Hung, N. Q., & Mirzayev, M. N. (2026). Gamma-irradiation-induced defects and thermally driven recovery in ZrB₂. Materials Chemistry and Physics, 353, 132107.
      doi:10.1016/j.matchemphys.2026.132107

    В роботі були отримані тонкі плівки Pb1-xEuxTe (x=0,1) товщиною 1,5–2 мкм методом конденсації молекулярних пучків на підкладках зі скла та слюди. Методом рентгенівської дифракції було встановлено, що плівки кристалізуються переважно в кубічній фазі PbTe із просторовою групою Fm-3. Також виявлено слабку вторинну фазу, збагачену європієм, із просторовою групою Pm-3. Тип підкладки суттєво впливав на переважну орієнтацію: на склі спостерігалася орієнтація (200), а на слюді — (222). При вимірюванні фотолюмінесценції за кімнатної температури було виявлено виражене інфрачервоне випромінювання, що складається з трьох компонент із максимумами приблизно при 1779, 1811 та 1872 нм (відповідно 0,697; 0,685 та 0,662 еВ), які перекриваються. Дві високоенергетичні компоненти близькі до значення ширини забороненої зони (~0,70 еВ), розрахованої для моделі Pb0,875Eu0,125Te (x=0,125), тоді як низькоенергетична компонента проявляється в області енергій, менших за ширину забороненої зони. Спостережуване випромінювання узгоджується з внеском електронних станів поблизу країв зон та додатковим низькоенергетичним каналом випромінювальної рекомбінації. Однак самі лише дані фотолюмінесценції за кімнатної температури не дозволяють однозначно ідентифікувати окремі механізми випромінювання

    Ключові слова: тонкі плівки PbEuTe, фотолюмінесценція, зонна структура, DFT, діелектрична функція

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0