research communications
Une surstructure de α-Ge, type diamant, induite par un dopage d'antimoine
aCentro de Microscopia Electrónica, Universidad Complutense, 28040 Madrid, Spain, bUniversité Houari-Boumedienne, Faculté de Chimie, Laboratoire Sciences des Matériaux, BP 32 El-Alia 16111 Bab-Ezzouar, Algeria, cCentre de Diffractométrie X, Sciences Chimiques de Rennes, UMR 6226 CNRS Université de Rennes 1, Campus de Beaulieu, Avenue du Général Leclerc, France, et dDepartomento Inorgánica, Facultad C.C. Químicas, Universidad Complutense, 28040 Madrid, Spain
*Courier électronique: hammoudi.lamia@yahoo.com
Single crystals of antimony-doped germanium, Ge1–xSbx+0.01 (x ≃ 0.0625), were grown by chemical transport reaction. The alloy crystallizes as a of diamond-type α-Ge. All atoms in the lie on special positions and are characterized by strong covalent bonds. The antimony atoms substitute for one germanium atom at full occupancy at 4a (site symmetry -43m), and are also at an adjacent tetrahedral interstitial site with partially occupation (16%) at position 4c (or 4d) (site symmetry -43m). The structural model does not show close Sb⋯Sb contacts, and suggests that the interstitial antimony atoms move between the two adjacent tetrahedral sites.
Keywords: crystal structure; antimony; doped germanium; superstructure.
CCDC reference: 1541258
1. Contexte chimique
Le germanium a connu un regain d'attention ces dernières années comme matériau potentiellement promoteur d'améliorer des applications en micro et nanoélectronique (Claeys & Simoen, 2007). Ceci est du en grande partie à sa grande mobilité d'électrons et de trous. (Claeys et al., 2010). En effet, le dopage du germanium peut affecter ses performances pour de futur applications électroniques, plus particulièrement l'antimoine Sb, un dopant de type-n qui connait une attention particulière pour sa ultra-faible résistivité (Xu, et al., 2016) et pour ces grandes performances n-MOSFET (Thareja et al., 2010); d'où la nécessité de synthétiser des monocristaux Ge/Sb appropriés (Sheikhi et al., 2016; Bruno et al., 2010). L'étude du diagramme Ge-Sb montre la présence d'une seule phase métastable Ge0,5Sb0,5 tétragonale (Giessen & Gautier, 1972) et une solubilité Sb dans Ge qui varie entre 2.4–2.5 at.% (Okamoto, 2012).
2. Commentaire structurelle
L'alliage Ge1–xSbx+0,01 (x ≃ 0,0625) cristallise selon une surstructure (2a × 2a × 2a) de type α-Ge diamant, a = 5,65675 (1) Å (Cooper, 1962), avec un volume de maille huit fois plus grand dans le groupe d'espace F3m. Dans le système binaire Ge–Sb, les critères empiriques établis par Hume–Rothery pour la formation d'une solution solide ne sont pas complétements satisfaits (Rothery & Powell, 1935; Rothery, 1969; Rothery et al., 1969), en particulier le premier critère qui spécifie que la différence de taille entre les deux atomes ne doit pas dépasser les 15% [r(Ge) = 1.23 Å et r(Sb) = 1,41 Å; Emsley, 1998]; ainsi la formation de surstructure est plutôt favorable (Rothery & Powell, 1935). Dans cette surstructure les atomes de Ge sont caractérisés, comme dans la structure de base, par de fortes liaisons covalentes et un environnement tétraédrique régulier (Fig. 1). Les distances Ge—Ge varient entre 2,437 (2)–2,444 (2) Å, et sont proches de celles observées dans la structure α-Ge type diamant (Emsley, 1998). L'atome Ge3 fait exception et posséde une coordinence plus élevée CN = 5 (bipyramide trigonale) par la présence de liaison Ge3—Sb2 (Fig. 2). Les études les plus récentes basées sur des méthodes dites ab initio montrent que lors du dopage du germanium par des atomes de type-n (tels que Sb, As et P), la position de substitution ainsi que la position tétraédrique d'insertion sont énergétiquement plus favorable (Maeta & Sueoka, 2014; Sluydts et al., 2017), alors que la position de l'interstitiel dissocié (110) est plutôt favorable pour du germanium en auto-insertion (Moreira et al., 2004). L'atome d'antimoine Sb1 occupe la position 4a par substitution totale d'un atome de Ge, alors que l'atome Sb2 occupe partiellement la position tétraédrique (T) d'insertion 4c (ou 4d) (Fig. 1). Les atomes Sb dopants possèdent ainsi une coordinence tétraédrique avec de fortes liaisons covalentes comparables à celles des atomes Ge. Les distances Ge—Sb qui varient entre 2,435 (2)–2,448 (2) Å sont légèrement inférieures à la somme des rayons covalents 2,63 Å (Emsley, 1998), ce qui implique de fortes interactions. L'atome Sb2 se distingue par une deuxième sphère de coordination octaédrique non distordue avec des distances Sb2—Ge2 de 2,8194 (9) Å, légèrement supérieures à la somme des rayons covalents, mais qui restent toutefois inférieures à la somme des rayons de van der Waals, i.e. 4,17 Å (Bondi, 1964), indiquant de faibles interactions. Cet atome Sb2 peut être ainsi caractérisé par une coordinance CN = 4 + 6 = 10 et des antiprismes carrés à faces coiffés (Fig. 2). De courtes distances Sb—Sb ne sont pas observées, ce qui suggère que ces atomes préfèrent s'isoler dans le germanium sans former d'agglomérats. Cette tendance conforte le fait que les atomes Sb2 semblent mouvoir ou diffuser entre deux sites tétraédriques (T) adjacents (Fig. 3); phénomène déjà observé lors de l'étude par DFT du dopage du Ge par l'Al (Shi et al., 2016), ou dans le cas du dopage du Si par les métaux de transitions (Matsukawa et al., 2007). Enfin, comme observé dans la structure de base α-Ge diamant, on note un comportement isotrope de l'agitation thermique (ADP's) des atomes, toute fois cette ADP's est plus importante pour les atomes d'antimoine.
3. Enquête de base de données
Dans le systeme Ge–Sb, un examen bibliographique montre l'existence d'une seule phase Ge0.5Sb0.5 (Giessen & Gautier 1972), dont la coordinence des atomes (CN = 4 + 2) peut être interprétée comme étant intermédiaire entre celle observée dans les structures de Sb (CN = 3 + 3) et de α-Ge (CN = 4 + 12). Cette recherche montre aussi l'existence de solutions solide dans α-Ge, comme c'est le cas dans les systemes Ge–Si (Dismukes et al., 1964) ou dans Ge–Sn (Chizmeshya et al., 2003), alors que dans le cas de Ge–Sb ce n'est réalisable que par mécanosynthèse; le cas de l'alliage Ge34Sb66 (Rebelo et al., 2013).
4. Synthèse et cristallisation
Les monocristaux de l'alliage Ge1–xSbx+0,01 (x ≃ 0,0625) ont été obtenus par la méthode de transport en phase vapeur lors des essais de synthèse du clathrate I8Sb10Ge36 (Kars et al., 2010) à partir d'un mélange d'éléments purs et à une température de 1100 K pendant environ une semaine. L'analyse chimique par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX Oxford Instruments) sur MET de plusieurs cristaux, confirme la présence des deux éléments Ge et Sb (Fig. 4).
5. Affinement
La structure a été résolue, dans le groupe d'espace F3m (sous-groupe de Fdm de α-Ge diamant) grâce à l'algorithme charge flipping implanté dans le logiciel SUPERFLIP (Palatinus & Chapuis, 2007). Les détails de données cristallines, collection de données et affinement sont résumés dans le tableau 1. Une synthèse de Fourier-différence révèle la présence de deux pics d'intensité équivalente ρmax = 8,34 et 8,17 e Å−3 situés à des distances interatomiques des atomes Ge3, ce qui a permis de localiser les atomes Sb2 dans deux sites tétraédriques 4c et 4d. Le meilleur résultat est obtenu avec des atomes Sb2 occupant ces deux sites séparément et conduisant à un faible taux d'occupation de 16%. Les atomes de Sb2 sont probablement distribués de manière statistique sur ces deux sites, mais les essais de paramétrer ce désordre sur ces deux sites ont échoués, ce qui explique en partie la carte de densité électronique obtenue en fin d'affinement: ρmax = 3,59 e Å−3 (localisée à 2,45 Å de Ge3) et ρmin = 1,54 e Å−3 (localisée à 1,11 Å de Sb2). La composition de l'alliage obtenue en fin d'affinement Ge (at%) = 92,81; Sb (at%) = 7,19] est proche de celle déduite par analyse chimique par MET [Ge (at%) = 92,02; Sb (at%) = 7,98] . L'affinement du paramétre de Flack (1983) suggère la prèsence d'une macle par inversion, la fraction en volume des composants est 0,56 (11):0,44 (11).
Supporting information
CCDC reference: 1541258
https://doi.org/10.1107/S2056989017004996/vn2127sup1.cif
contains datablocks global, I. DOI:Structure factors: contains datablock I. DOI: https://doi.org/10.1107/S2056989017004996/vn2127Isup2.hkl
Data collection: APEX2 (Bruker, 2006); cell
APEX2 (Bruker, 2006); data reduction: APEX2 (Bruker, 2006); program(s) used to solve structure: SUPERFLIP (Palatinus & Chapuis, 2007); program(s) used to refine structure: JANA2000 (Petříček et al., 2014); molecular graphics: DIAMOND (Brandenburg & Putz, 2009); software used to prepare material for publication: JANA2000 (Petříček et al., 2014).Ge0.9375Sb0.0725 | Dx = 5.698 Mg m−3 |
Mr = 4921.1 | Mo Kα radiation, λ = 0.71073 Å |
Cubic, F43m | Cell parameters from 568 reflections |
Hall symbol: F -4 2 3 | θ = 3.1–26.7° |
a = 11.276 (4) Å | µ = 33.03 mm−1 |
V = 1433.6 (10) Å3 | T = 293 K |
Z = 64 | Prismatic, black |
F(000) = 2157 | 0.48 × 0.37 × 0.16 mm |
Bruker APEXII diffractometer | 229 independent reflections |
Radiation source: x-ray tube | 123 reflections with I > 3σ(I) |
Graphite monochromator | Rint = 0.079 |
CCD rotation images, thin slices scans | θmax = 29.0°, θmin = 3.1° |
Absorption correction: multi-scan (SADABS; Sheldrick, 2002) | h = −14→15 |
Tmin = 0.001, Tmax = 0.005 | k = −15→15 |
3308 measured reflections | l = −14→13 |
Refinement on F | (Δ/σ)max = 0.0001 |
R[F > 3σ(F)] = 0.058 | Δρmax = 3.59 e Å−3 |
wR(F) = 0.087 | Δρmin = −1.23 e Å−3 |
S = 1.79 | Extinction correction: B-C type 1 Gaussian isotropic (Becker & Coppens, 1974) |
229 reflections | Extinction coefficient: 84 (8) |
16 parameters | Absolute structure: 99 of Friedel pairs used in the refinement |
Weighting scheme based on measured s.u.'s w = 1/(σ2(F) + 0.0001F2) | Absolute structure parameter: 0.44 (11) |
Refinement. The refinement was carried out against all reflections. The conventional R-factor is always based on F. The goodness of fit as well as the weighted R-factor are based on F and F2 for refinement carried out on F and F2, respectively. The threshold expression is used only for calculating R-factors etc. and it is not relevant to the choice of reflections for refinement. The crystal studied was twinned by inversion with a refined twin domain fraction of 0.56 (11):0.44 (11). The overlaps of reflection between the twin domains were calculated by Jana2000 software using the twinning matrix and user- defined treshold 0.1° for full overlap and 0.3° for full separation. Due to no support for twinning in the official CIF dictionary the twinning matrix has been saved in the CIF file using special _jana_cell_twin_matrix keyword. The program used for refinement, Jana2000, uses the weighting scheme based on the experimental expectations, see _refine_ls_weighting_details, that does not force S to be one. Therefore the values of S are usually larger than the ones from the SHELX program. |
x | y | z | Uiso*/Ueq | Occ. (<1) | |
Sb1 | 0 | 0 | 0 | 0.0141 (6) | |
Ge1 | 0.12476 (19) | 0.12476 (19) | 0.37524 (19) | 0.0032 (8) | |
Ge2 | 0.25 | 0.25 | 0.49996 (8) | 0.0026 (8) | |
Ge3 | −0.12467 (18) | −0.12467 (18) | −0.12467 (18) | 0.0033 (8) | |
Ge4 | 0 | 0 | 0.5 | 0.0039 (8) | |
Sb2 | −0.25 | −0.25 | −0.25 | 0.0141 (6) | 0.162 (19) |
U11 | U22 | U33 | U12 | U13 | U23 | |
Sb1 | 0.0141 (11) | 0.0141 (11) | 0.0141 (11) | 0 | 0 | 0 |
Ge1 | 0.0032 (14) | 0.0032 (14) | 0.0032 (14) | −0.00013 (17) | 0.00013 (17) | 0.00013 (17) |
Ge2 | 0.0027 (14) | 0.0027 (14) | 0.0025 (15) | 0.0000 (2) | 0 | 0 |
Ge3 | 0.0033 (14) | 0.0033 (14) | 0.0033 (14) | 0.00019 (18) | 0.00019 (18) | 0.00019 (18) |
Ge4 | 0.0039 (14) | 0.0039 (14) | 0.0039 (14) | 0 | 0 | 0 |
Sb2 | 0.0141 (11) | 0.0141 (11) | 0.0141 (11) | 0 | 0 | 0 |
Sb1—Ge3 | 2.435 (2) | Ge1—Ge2v | 2.443 (2) |
Sb1—Ge3i | 2.435 (2) | Ge1—Ge4 | 2.437 (2) |
Sb1—Ge3ii | 2.435 (2) | Ge2—Ge3vi | 2.444 (2) |
Sb1—Ge3iii | 2.435 (2) | Ge2—Ge3vii | 2.444 (2) |
Ge1—Ge2 | 2.443 (2) | Ge2—Sb2viii | 2.8194 (9) |
Ge1—Ge2iv | 2.443 (2) | Ge3—Sb2 | 2.448 (2) |
Ge3—Sb1—Ge3i | 109.47 (7) | Ge2xv—Sb2—Ge2xvii | 90 |
Ge3—Sb1—Ge3ii | 109.47 (7) | Ge2xv—Sb2—Ge3 | 125.26 (5) |
Ge3—Sb1—Ge3iii | 109.47 (7) | Ge2xv—Sb2—Ge3xviii | 54.74 (5) |
Ge3i—Sb1—Ge3 | 109.47 (7) | Ge2xv—Sb2—Ge3xix | 125.26 (5) |
Ge3i—Sb1—Ge3ii | 109.47 (7) | Ge2xv—Sb2—Ge3xx | 54.74 (5) |
Ge3i—Sb1—Ge3iii | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge2xv | 180 |
Ge3ii—Sb1—Ge3 | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge2xvi | 90 |
Ge3ii—Sb1—Ge3i | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge2xi | 90 |
Ge3ii—Sb1—Ge3iii | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge2xii | 90 |
Ge3iii—Sb1—Ge3 | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge2xvii | 90 |
Ge3iii—Sb1—Ge3i | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge3 | 54.74 (5) |
Ge3iii—Sb1—Ge3ii | 109.47 (7) | Ge2x—Sb2—Ge3xviii | 125.26 (5) |
Ge2—Ge1—Ge2iv | 109.36 (8) | Ge2x—Sb2—Ge3xix | 54.74 (5) |
Ge2—Ge1—Ge2v | 109.36 (8) | Ge2x—Sb2—Ge3xx | 125.26 (5) |
Ge2—Ge1—Ge4 | 109.59 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge2xv | 90 |
Ge2iv—Ge1—Ge2 | 109.36 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge2x | 90 |
Ge2iv—Ge1—Ge2v | 109.36 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge2xi | 90 |
Ge2iv—Ge1—Ge4 | 109.59 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge2xii | 180 |
Ge2v—Ge1—Ge2 | 109.36 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge2xvii | 90 |
Ge2v—Ge1—Ge2iv | 109.36 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge3 | 125.26 (5) |
Ge2v—Ge1—Ge4 | 109.59 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge3xviii | 125.26 (5) |
Ge1—Ge2—Ge1ix | 109.70 (8) | Ge2xvi—Sb2—Ge3xix | 54.74 (5) |
Ge1—Ge2—Ge3vi | 109.35 (7) | Ge2xvi—Sb2—Ge3xx | 54.74 (5) |
Ge1—Ge2—Ge3vii | 109.35 (7) | Ge2xi—Sb2—Ge2xv | 90 |
Ge1—Ge2—Sb2viii | 125.15 (5) | Ge2xi—Sb2—Ge2x | 90 |
Ge1ix—Ge2—Ge1 | 109.70 (8) | Ge2xi—Sb2—Ge2xvi | 90 |
Ge1ix—Ge2—Ge3vi | 109.35 (7) | Ge2xi—Sb2—Ge2xii | 90 |
Ge1ix—Ge2—Ge3vii | 109.35 (7) | Ge2xi—Sb2—Ge2xvii | 180 |
Ge1ix—Ge2—Sb2viii | 125.15 (5) | Ge2xi—Sb2—Ge3 | 54.74 (5) |
Ge3vi—Ge2—Ge3vii | 109.74 (8) | Ge2xi—Sb2—Ge3xviii | 125.26 (5) |
Ge3vi—Ge2—Sb2viii | 54.87 (5) | Ge2xi—Sb2—Ge3xix | 125.26 (5) |
Ge3vii—Ge2—Ge3vi | 109.74 (8) | Ge2xi—Sb2—Ge3xx | 54.74 (5) |
Ge3vii—Ge2—Sb2viii | 54.87 (5) | Ge2xii—Sb2—Ge2xv | 90 |
Sb1—Ge3—Ge2x | 109.61 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge2x | 90 |
Sb1—Ge3—Ge2xi | 109.61 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge2xvi | 180 |
Sb1—Ge3—Ge2xii | 109.61 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge2xi | 90 |
Sb1—Ge3—Sb2 | 180 | Ge2xii—Sb2—Ge2xvii | 90 |
Ge2x—Ge3—Ge2xi | 109.34 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge3 | 54.74 (5) |
Ge2x—Ge3—Ge2xii | 109.34 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge3xviii | 54.74 (5) |
Ge2x—Ge3—Sb2 | 70.39 (6) | Ge2xii—Sb2—Ge3xix | 125.26 (5) |
Ge2xi—Ge3—Ge2x | 109.34 (8) | Ge2xii—Sb2—Ge3xx | 125.26 (5) |
Ge2xi—Ge3—Ge2xii | 109.34 (8) | Ge2xvii—Sb2—Ge2xv | 90 |
Ge2xi—Ge3—Sb2 | 70.39 (6) | Ge2xvii—Sb2—Ge2x | 90 |
Ge2xii—Ge3—Ge2x | 109.34 (8) | Ge2xvii—Sb2—Ge2xvi | 90 |
Ge2xii—Ge3—Ge2xi | 109.34 (8) | Ge2xvii—Sb2—Ge2xi | 180 |
Ge2xii—Ge3—Sb2 | 70.39 (6) | Ge2xvii—Sb2—Ge2xii | 90 |
Ge1—Ge4—Ge1xiii | 109.47 (7) | Ge2xvii—Sb2—Ge3 | 125.26 (5) |
Ge1—Ge4—Ge1xiv | 109.47 (7) | Ge2xvii—Sb2—Ge3xviii | 54.74 (5) |
Ge1—Ge4—Ge1ii | 109.47 (7) | Ge2xvii—Sb2—Ge3xix | 54.74 (5) |
Ge1xiii—Ge4—Ge1 | 109.47 (7) | Ge2xvii—Sb2—Ge3xx | 125.26 (5) |
Ge1xiii—Ge4—Ge1xiv | 109.47 (7) | Ge3—Sb2—Ge3xviii | 109.47 (7) |
Ge1xiii—Ge4—Ge1ii | 109.47 (7) | Ge3—Sb2—Ge3xix | 109.47 (7) |
Ge1xiv—Ge4—Ge1 | 109.47 (7) | Ge3—Sb2—Ge3xx | 109.47 (7) |
Ge1xiv—Ge4—Ge1xiii | 109.47 (7) | Ge3xviii—Sb2—Ge3 | 109.47 (7) |
Ge1xiv—Ge4—Ge1ii | 109.47 (7) | Ge3xviii—Sb2—Ge3xix | 109.47 (7) |
Ge1ii—Ge4—Ge1 | 109.47 (7) | Ge3xviii—Sb2—Ge3xx | 109.47 (7) |
Ge1ii—Ge4—Ge1xiii | 109.47 (7) | Ge3xix—Sb2—Ge3 | 109.47 (7) |
Ge1ii—Ge4—Ge1xiv | 109.47 (7) | Ge3xix—Sb2—Ge3xviii | 109.47 (7) |
Ge2xv—Sb2—Ge2x | 180 | Ge3xix—Sb2—Ge3xx | 109.47 (7) |
Ge2xv—Sb2—Ge2xvi | 90 | Ge3xx—Sb2—Ge3 | 109.47 (7) |
Ge2xv—Sb2—Ge2xi | 90 | Ge3xx—Sb2—Ge3xviii | 109.47 (7) |
Ge2xv—Sb2—Ge2xii | 90 | Ge3xx—Sb2—Ge3xix | 109.47 (7) |
Symmetry codes: (i) y, −x, −z; (ii) −x, −y, z; (iii) −y, x, −z; (iv) x, −z+1/2, −y+1/2; (v) −z+1/2, −x+1/2, y; (vi) y+1/2, −x, −z+1/2; (vii) −y, x+1/2, −z+1/2; (viii) x+1/2, y+1/2, z+1; (ix) −x+1/2, −y+1/2, z; (x) y−1/2, −x, −z+1/2; (xi) x−1/2, −z+1/2, −y; (xii) −z+1/2, −x, y−1/2; (xiii) y, −x, −z+1; (xiv) z−1/2, x, y+1/2; (xv) x−1/2, y−1/2, z−1; (xvi) z−1, x−1/2, y−1/2; (xvii) −x, z−1, −y; (xviii) y, −x−1/2, −z−1/2; (xix) −x−1/2, −y−1/2, z; (xx) −y−1/2, x, −z−1/2. |
Références
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