We have performed structural investigations of ordered kesterite-type Cu2ZnSnS4 up to 30 GPa. Our current X-ray diffraction results clearly excluded the presence of a kesterite → disordered kesterite transition reported previously between 7 and 9 GPa. Nevertheless, specific anomalies connected with the Cu-S bond length of the starting kesterite-type phase are evidenced close to 6 GPa, indicating subtle structural effects at play in this system. Moreover, we have indexed the high-pressure modification of Cu2ZnSnS4 adopted above 16 GPa to a disordered GeSb-type structure, a tetragonally distorted rocksalt-type modification. Full decompression leads to the adoption of a disordered sphalerite/zincblende-type structure. Our complementary density functional theory calculations reproduce accurately the experimental observations and indicate the possibility of a metallic high-pressure GeSb-type phase, unlike the starting semiconducting kesterite-type Cu2ZnSnS4 structure.

1.
H.
Katagiri
,
K.
Jimbo
,
W. S.
Maw
,
K.
Oishi
,
M.
Yamazaki
,
H.
Araki
, and
A.
Takeuchi
,
Thin Solid Films
517
,
2455
(
2009
).
2.
X.
Liu
,
Y.
Feng
,
H.
Cui
,
F.
Liu
,
X.
Hao
,
G.
Conibeer
,
D. B.
Mitzi
, and
M.
Green
,
Prog. Photovoltaics
24
,
879
(
2016
).
3.
S.
Chen
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.-H.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
041903
(
2009
).
4.
J. J.
Scragg
,
P. J.
Dale
,
L. M.
Peter
,
G.
Zoppi
, and
I.
Forbes
,
Phys. Status Solidi B
245
,
1772
(
2008
).
5.
S.
Siebentritt
and
S.
Schorr
,
Prog. Photovoltaics
20
,
512
(
2012
).
6.
K.
Sun
,
C.
Yan
,
F.
Liu
,
J.
Huang
,
F.
Zhou
,
J. A.
Stride
,
M.
Green
, and
X.
Hao
,
Adv. Energy Mater.
6
,
1600046
(
2016
). 1600046.
7.
W.
Shockley
and
H. J.
Queisser
,
J. Appl. Phys.
32
,
510
(
1961
).
8.
L.
Choubrac
,
M.
Paris
,
A.
Lafond
,
C.
Guillot-Deudon
,
X.
Rocquefelte
, and
S.
Jobic
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
10722
(
2013
).
9.
S.
Schorr
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
95
,
1482
(
2011
).
10.
S.
Schorr
,
Thin Solid Films
515
,
5985
(
2007
).
11.
R.
Caballero
,
E.
Garcia-Llamas
,
J. M.
Merino
,
M.
Leon
,
I.
Babichuk
,
V.
Dzhagan
,
V.
Strelchuk
, and
M.
Valakh
,
Acta Mater.
65
,
412
(
2014
).
12.
S.
Chen
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.-H.
Wei
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
021902
(
2010
).
13.
S.
Chen
,
J.-H.
Yang
,
X. G.
Gong
,
A.
Walsh
, and
S.-H.
Wei
,
Phys. Rev. B
81
,
245204
(
2010
).
14.
M.
Paris
,
L.
Choubrac
,
A.
Lafond
,
C.
Guillot-Deudon
, and
S.
Jobic
,
Inorg. Chem.
53
,
8646
(
2014
).
15.
L. E. V.
Rios
,
K.
Neldner
,
G.
Gurieva
, and
S.
Schorr
,
J. Alloys Compd.
657
,
408
(
2016
).
16.
M.
Grossberg
,
J.
Krustok
,
J.
Raudoja
, and
T.
Raadik
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
102102
(
2012
).
17.
M.
Quennet
,
A.
Ritscher
,
M.
Lerch
, and
B.
Paulus
,
J. Solid State Chem.
250
,
140
(
2017
).
18.
S.
Schorr
and
G.
Gonzalez-Aviles
,
Phys. Status Solidi A
206
,
1054
(
2009
).
19.
J. J. S.
Scragg
,
L.
Choubrac
,
A.
Lafond
,
T.
Ericson
, and
C.
PlatzerBjorkman
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
041911
(
2014
).
20.
M. Y.
Valakh
,
V. M.
Dzhagan
,
I. S.
Babichuk
,
X.
Fontane
,
A.
Perez-Rodriquez
, and
S.
Schorr
,
JETP Lett.
98
,
255
(
2013
).
21.
Y.
Zhao
,
D.
Li
, and
Z.
Liu
,
Mod. Phys. Lett. B
30
,
1650176
(
2016
).
22.
Y.
Zhao
,
D.
Li
, and
Z.
Liu
,
J. Alloys Compd.
696
,
86
(
2017
).
23.
Y.
Zhao
,
D.
Li
, and
Z.
Liu
,
J. Electron. Mater.
46
,
2812
(
2017
).
24.
I.
Efthimiopoulos
,
A.
Ritscher
,
M.
Lerch
,
S.
Speziale
,
A. S.
Pakhomova
,
H. P.
Liermann
, and
M.
Koch-Müller
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
041905
(
2017
).
25.
A.
Ritscher
,
A.
Franz
,
S.
Schorr
, and
M.
Lerch
,
J. Alloys Compd.
689
,
271
(
2016
).
26.
A.
Ritscher
,
M.
Hoelzel
, and
M.
Lerch
,
J. Solid State Chem.
238
,
68
(
2016
).
27.
A.
Ritscher
,
J.
Just
,
O.
Dolotko
,
S.
Schorr
, and
M.
Lerch
,
J. Alloys Compd.
670
,
289
(
2016
).
28.
H.-P.
Liermann
,
Z.
Konopkova
,
W.
Morgenroth
,
K.
Glazyrin
,
J.
Bednarcik
,
E. E.
McBride
,
S.
Petitgirard
,
J. T.
Delitz
,
M.
Wendt
,
Y.
Bican
,
A.
Ehnes
,
I.
Schwark
,
A.
Rothkirch
,
M.
Tischer
,
J.
Heuer
,
H.
Schulte-Schrepping
,
T.
Kracht
, and
H.
Franz
,
J. Synchrotron Radiat.
22
,
908
(
2015
).
29.
A. P.
Hammersley
,
S. O.
Svensson
,
M.
Hanfland
,
A. N.
Fitch
, and
D.
Hausermann
,
High Pressure Res.
14
,
235
(
1996
).
30.
B. H.
Toby
,
J. Appl. Crystallogr.
34
,
210
(
2001
).
31.
K.
Syassen
,
High Pressure Res.
28
,
75
(
2008
).
32.
S.-H.
Shim
,
T. S.
Duffy
, and
T.
Kenichi
,
Earth Planet. Sci. Lett.
203
,
729
(
2002
).
33.
K.
Takemura
and
A.
Dewaele
,
Phys. Rev. B
78
,
104119
(
2008
).
34.
A.
Dewaele
,
F.
Datchi
,
P.
Loubeyre
, and
M.
Mezouar
,
Phys. Rev. B
77
,
094106
(
2008
).
35.
R. J.
Hemley
,
C. S.
Zha
,
A. P.
Jephcoat
,
H. K.
Mao
,
L. W.
Finger
, and
D. E.
Cox
,
Phys. Rev. B
39
,
11820
(
1989
).
36.
D.
Errandonea
,
R.
Boehler
,
S.
Japel
,
M.
Mezouar
, and
L. R.
Benedetti
,
Phys. Rev. B
73
,
092106
(
2006
).
37.
M.
Ross
,
H. K.
Mao
,
P. M.
Bell
, and
J. A.
Xu
,
J. Chem. Phys.
85
,
1028
(
1986
).
39.
F.
Birch
,
J. Geophys. Res.
83
,
1257
, (
1978
).
40.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
41.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
42.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
43.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
44.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
45.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
46.
E.
Ziegel
,
W.
Press
,
B.
Flannery
,
S.
Teukolsky
, and
W.
Vetterling
,
Technometrics
29
,
501
(
1987
).
47.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
48.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
49.
J.
Heyd
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
121
,
1187
(
2004
).
50.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
51.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
124
,
219906
(
2006
).
52.
A. V.
Krukau
,
O. A.
Vydrov
,
A. F.
Izmaylov
, and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
125
,
224106
(
2006
).
53.
P. E.
Blöchl
,
O.
Jepsen
, and
O. K.
Andersen
,
Phys. Rev. B
49
,
16223
(
1994
).
54.
H. T.
Evans
, Jr.
,
Nat. Phys. Sci.
232
,
69
70
(
1971
).
55.
H. T.
Evans
, Jr.
,
Amer. Miner.
66
,
807
818
(
1981
).
56.
D.
Santamaria-Perez
,
G.
Garbarino
,
R.
Chulia-Jordan
,
M. A.
Dobrowolski
,
C.
Muehle
, and
M.
Jansen
,
J. Alloys Compd.
610
,
645
(
2014
).
57.
R. J.
Angel
,
Rev. Miner. Geochem.
41
,
35
(
2000
).
58.
A.
Polian
,
M.
Gauthier
,
S. M.
Souza
,
D. M.
Triches
,
J. C.
de Lima
, and
T. A.
Grandi
,
Phys. Rev. B
83
,
113106
(
2011
).
59.
C.
Meade
and
R.
Jeanloz
,
Geophys. Res. Lett.
17
,
1157
, (
1990
).
60.
S.
Schorr
,
H. J.
Hoebler
, and
M.
Tovar
,
Eur. J. Mineral.
19
,
65
(
2007
).
61.
T.
Gurel
,
C.
Sevik
, and
T.
Cagin
,
Phys. Rev. B
84
,
205201
(
2011
).
62.
J. M.
Skelton
,
A. J.
Jackson
,
M.
Dimitrievska
,
S. K.
Wallace
, and
A.
Walsh
,
APL Mater.
3
,
041102
(
2015
).
63.
X.
Fontane
,
V.
Izquierdo-Roca
,
E.
Saucedo
,
S.
Schorr
,
V.
Yukhymchuk
,
M. Y.
Valakh
,
A.
Perez-Rodriguez
, and
J. R.
Morante
,
J. Alloys Compd.
539
,
190
(
2012
).
64.
A.
Khare
,
B.
Himmetoglu
,
M.
Johnson
,
D. J.
Norris
,
M.
Cococcioni
, and
E. S.
Aydil
,
J. Appl. Phys.
111
,
083707
(
2012
).
65.
M.
Dimitrievska
,
A.
Fairbrother
,
A.
Perez-Rodriguez
,
E.
Saucedo
, and
V.
Izquierdo-Roca
,
Acta Mater.
70
,
272
(
2014
).
66.
C. J.
Bosson
,
M. T.
Birch
,
D. P.
Halliday
,
C. C.
Tang
,
A. K.
Kleppe
, and
P. D.
Hatton
,
Chem. Mater.
29
,
9829
(
2017
).
67.
I.
Efthimiopoulos
,
J.
Kemichick
,
X.
Zhou
,
S. V.
Khare
,
D.
Ikuta
, and
Y.
Wang
,
J. Phys. Chem. A
118
,
1713
(
2014
).
68.
R.
Juneja
,
R.
Shinde
, and
A. K.
Singh
,
J. Phys. Chem. Lett.
9
,
2202
(
2018
).
69.
A.
Ohmura
,
Y.
Higuchi
,
T.
Ochiai
,
M.
Kanou
,
F.
Ishikawa
,
S.
Nakano
,
A.
Nakayama
,
Y.
Yamada
, and
T.
Sasagawa
,
Phys. Rev. B
95
,
125203
(
2017
).
70.
B. C.
Giessen
and
C.
Borromee-Gautier
,
J. Solid State Chem.
4
,
447
(
1972
).
71.
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
,
A. D.
Corso
, and
P.
Giannozzi
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
515
(
2001
).
72.
O.
Gomis
,
R.
Vilaplana
,
F. J.
Manjon
,
D.
Santamaria-Perez
,
D.
Errandonea
,
E.
Perez-Gonzalez
,
J.
Lopez-Solano
,
P.
Rodriguez-Hernandez
,
A.
Munoz
,
I. M.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
,
Mater. Res. Bull.
48
,
2128
(
2013
).
73.
A.
Grzechnik
,
V. V.
Ursaki
,
K.
Syassen
,
I.
Loa
,
I. M.
Tiginyanu
, and
M.
Hanfland
,
J. Solid State Chem.
160
,
205
(
2001
).
74.
S.
Meenakshi
,
V.
Vijayakumar
,
A.
Eifler
, and
H. D.
Hochheimer
,
J. Phys. Chem. Solids
71
,
832
(
2010
).
75.
S.
Meenakshi
,
V.
Vijyakumar
,
B. K.
Godwal
,
A.
Eifler
,
I.
Orgzall
,
S.
Tkachev
, and
H. D.
Hochheimer
,
J. Phys. Chem. Solids
67
,
1660
(
2006
).
76.
R.
Vilaplana
,
M.
Robledillo
,
O.
Gomis
,
J. A.
Sans
,
F. J.
Manjon
,
E.
Perez-Gonzalez
,
P.
Rodriguez-Hernandez
,
A.
Munoz
,
I. M.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
,
J. Appl. Phys.
113
,
093512
(
2013
).
77.
J.
Paier
,
R.
Asahi
,
A.
Nagoya
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
79
,
115126
(
2009
).
78.
C.
Persson
,
J. Appl. Phys.
107
,
053710
(
2010
).
79.
S.
Ahn
,
S.
Jung
,
J.
Gwak
,
A.
Cho
,
K.
Shin
,
K.
Yoon
,
D.
Park
,
H.
Cheong
, and
J. H.
Yun
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
021905
(
2010
).
80.
G.
Gordillo
,
C.
Calderon
, and
P.
Bartolo-Perez
,
Appl. Surf. Sci.
35
,
506
(
2014
).
81.
C.-R.
Li
,
Y.-F.
Li
,
B.
Yao
,
G.
Yang
,
Z.-H.
Ding
,
R.
Deng
, and
L.
Liu
,
Phys. Lett. A
377
,
2398
(
2013
).
82.
A.
Mujica
,
A.
Rubio
,
A.
Munoz
, and
R. J.
Needs
,
Rev. Mod. Phys.
75
,
863
(
2003
).
83.
V. S.
Bhadram
,
L.
Krishna
,
E. S.
Toberer
,
R.
Hrubiak
,
E.
Greenberg
,
V. B.
Prakapenka
, and
T. A.
Strobel
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
182106
(
2017
).
84.
O.
Gomis
,
D.
Santamaria-Perez
,
R.
Vilaplana
,
R.
Luna
,
J. A.
Sans
,
F.
Manjon
,
D.
Errandonea
,
E.
Perez-Gonzalez
,
P.
Rodriguez-Hernandez
,
A.
Munoz
,
I. M.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
,
J. Alloys Compd.
583
,
70
(
2013
).
85.
O.
Gomis
,
R.
Vilaplana
,
F. J.
Manjon
,
E.
Perez-Gonzalez
,
J.
Lopez-Solano
,
P.
Rodriguez-Hernandez
,
A.
Munoz
,
D.
Errandonea
,
J.
Ruiz-Fuertes
,
A.
Segura
,
D.
Santamaria-Perez
,
I. M.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
,
J. Appl. Phys.
111
,
013518
(
2012
).
86.
O.
Gomis
,
R.
Vilaplana
,
F. J.
Manjon
,
D.
Santamaria-Perez
,
D.
Errandonea
,
E.
Perez-Gonzalez
,
J.
Lopez-Solano
,
P.
Rodriguez-Hernandez
,
A.
Munoz
,
I. M.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
,
J. Appl. Phys.
113
,
073510
(
2013
).
87.
F. J.
Manjon
and
R. I.
Vilaplana
, in
Pressure-Induced Phase Transitions in AB2X4 Chalcogenide Compounds
, edited by
F. J.
Manjon
,
I.
Tiginyanu
, and
V. V.
Ursaki
(
Springer-Verlag
,
Berlin, Heidelberg
,
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.