Effect of Al doping on optical properties of ZnO thin films: theory and experiment

М. Коваленко; О. Бовгира; В. Дзіковський; А. Кашуба; Г. Ільчук; Р. Петрусь; І. Семків

doi:10.15330/pcss.22.1.153-159

Автор(и)

М. Коваленко Львівський національний університет ім. І. Франка
О. Бовгира Львівський національний університет ім. І. Франка
В. Дзіковський Львівський національний університет ім. І. Франка; Національний університет «Львівська Політехніка»
А. Кашуба Національний університет «Львівська Політехніка»
Г. Ільчук Національний університет "Львівська політехніка"
Р. Петрусь Національний університет "Львівська політехніка"
І. Семків Національний університет "Львівська політехніка"

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.22.1.153-159

Ключові слова:

легований ZnO, DFT U, ширина оптичної забороненої зони, зонно-енергетична структура, оптичні властивості

Анотація

Проведено дослідження впливу легування атомами алюмінію на структурні, електронні і оптичні властивості тонких плівок оксиду цинку, використовуючи експериментальні методи та розрахунки в межах теорії функціонала густини. Зміни властивостей легованих тонких плівок, які були нанесенні на скляну підкладку методом високочастотного магнетронного розпилення, контролюювалися за допомогою даних X-променевої дифракції та спектрів пропускання. Результати теоретичних розрахунків показують, що електронна структура ZnO:Al добре узгоджується з експериментальними даними при використанні методу DFT + U. На основі спектрів пропускання визначено оптичні константи для легованих плівок, такі як діелектрична проникність, показник заломлення, ширина оптичної забороненої зони, коефіцієнт екстинкції та оптична провідність. Результати розрахунків показали, що при внесенні домішкового атома Al в суперкомірку ZnO, спостерігається зміна параметрів цієї ґратки. Ширина оптичної забороненої зони ZnO: Al зростає порівняно з нелегованим ZnO. Крім того, навколо рівня Фермі, в ZnO:Al, виникають неглибокі донорні рівні, які переважно походять від 3s-орбіталей Al. Результати наших DFT розрахунів оптичних властивостей ZnO, легованого Al, задовільно узгоджуються з експериментально виміряними значеннями коефіцієнта пропускання.

Посилання

C. R. A. Catlow, S. A. French, A. A. Sokol, A. A. Al-Sunadi and S. M. Woodley, J. Comput. Chem. 29, 2234-2249 (2008) (https://doi.org/10.1002/jcc.21051).

Ü. Özgür, Y. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Do_gan, V. Avrutin, S.-J. Cho, and H. Morkoc, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005) (https://doi.org/10.1063/1.1992666).

Y. S. Lee, Y. C. Peng, J. H. Lu, Y. R. Zhu, H. C. Wu, Thin Solid Films 570, 464–470 (2014) (https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.04.037).

H. Kumarakuru, D. Cherns and A. M. Collins, Ceramic International 40, 8389-8395 (2014) (https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2014.01.045).

V. Devi, M. Kumar and D. K. Shukla, Superlattices and Microstructures, 83, 431-438 (2015) (https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.03.047).

A. A. Al-Ghamdi, O. A. Al-Hartomy and M. El Okr, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 131, 512-517 (2014) (https://doi.org/10.1016/j.saa.2014.04.020).

R. Petrus, H. Ilchuk, A. Kashuba, I. Semkiv, E. Zmiiovska, F. Honchar, R. Lys, Journal of Nano- and Electronic Physics 11(3), 03020 (2019). (https://doi.org/10.21272/jnep.11(3).03020).

R. Y. Petrus, H. A. Ilchuk, A. I. Kashuba, I. V. Semkiv, E. O. Zmiiovska, Optics and Spectroscopy 126(3), 220 (2019) (https://doi.org/10.1134/S0030400X19030160).

P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M.B. Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, and M. Cococcioni, J. Phys. Condens. Matter 29, 465901 (2017) (https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79).

D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 41, 7892 (1990) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892).

C. G. Broyden, IMA Journal of Applied Mathematics 6(3), 222–231 (1970) (https://doi.org/10.1093/imamat/6.3.222).

R. Fletcher, The Computer Journal 24 (3), 23 (1970) (https://doi.org/10.1093/comjnl/13.3.317).

D. Goldfarb, Mathematics of Computation 24, 23 (1970) (https://doi.org/10.1090/S0025-5718-1970-0258249-6).

D. F. Shanno, Mathematics of Computation 24, 647 (1970) (https://doi.org/10.1090/S0025-5718-1970-0274029-X).

N. N. Lathiotakis, A. N. Andriotis, M. Menon, Phys. Rev. B 78, 193311–193314 (2008) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.193311).

R. M. Sheetz, I. Ponomareva E. Richter, A. N. Andriotis, M. Menon, Phys. Rev. B 80, 195314 (2009) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.195314).

A. Walsh, J. L. F. Da Silva, S. H. Wei, Phys. Rev. Lett. 100, 256401-256404 (2008) (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.256401).

O. V. Bovgyra, M. V. Kovalenko, V. Ye. Dzikovskyi, A. P. Vaskiv, M. Ya. Sheremeta, Journal of Nano- and Electronic Physics 12(5), 05003 (2020) (https://doi.org/10.21272/jnep.12(5).05003).

X. Qu, S. Lü, D. Jia, S. Zhou, Q. Meng, Materials Science in Semiconductor Processing 16 (4), 1057-1062 (2013) (https://doi.org/10.1016/j.mssp.2013.04.002).

A. Mang, K. Reimann, St. Rübenacke, Solid State Commun. 94, 251–254 (1995). (https://doi.org/10.1016/0038-1098(95)00054-2).

O. Bovgyra, M. Kovalenko, R. Bovhyra, V. Dzikovskyi, Journal of Physical Studies 23(4), 4301 (2019) (https://doi.org/10.30970/jps.23.4301).

M. Kovalenko, O. Bovgyra, A. Franiv, V. Dzikovskyi, Materials Today: Proceeding (2019) (https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.11.274).

O. Bovgyra, M. Kovalenko, V. Dzikovskyi, and M. Moroz, IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), (Lviv, Ukraine, 2019), p. 726 (https://doi.org/10.1109/UKRCON.2019.8879928).

O. V. Bovgyra and M. V. Kovalenko, Journal of Nano- and Electronic Physics 8(2), 2031 (2016) (https://doi.org/10.21272/jnep.8(2).02031).

M. V. Kovalenko, O. V. Bovgyra, V. Ye. Dzikovskyi, R. V. Bovhyra, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii 18(3), 727–741 (2020).

L. I. Nykyruy, R. S. Yavorskyi, Z. R. Zapukhlyak, G. Wisz, P. Potera, Optical Materials 92, 319 (2019) (https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.04.029).

R. Yu. Petrus, H. A. Ilchuk, A. I. Kashuba, I. V. Semkiv, E. O. Zmiiovska, F. M. Honchar, Journal of Applied Spectroscopy 87(1), 35–40 (2020) (https://doi.org/10.1007/s10812-020-00959-7).

R. Petrus, H. Ilchuk, A. Kashuba, I. Semkiv, E. Zmiiovska, Funct. Mater. 27 (2), 342-347 (2020) (https://doi.org/10.15407/fm27.02.342).

R. Yavorskyi, L. Nykyruy, G. Wisz, P. Potera, S. Adamiak and Sz.Górny, Applied Nanoscience (Switzerland) 9, 715-724 (2018) (https://doi.org/10.1007/s13204-018-0872-z).

H. Ilchuk, R. Petrus, A. Kashuba, I. Semkiv and E. Zmiiovska, Molecular Crystals and Liquid Crystals 699(1), 1-8 (2020) (https://doi.org/10.1080/15421406.2020.1732532).

A. Kashuba, H. Ilchuk, R. Petrus, I. Semkiv, O. Bovgyra, M. Kovalenko and V. Dzikovskyi, Modern Physics Letters B, 33, 2150189 (2021) (https://doi.org/10.1142/S021798492150189X).

R. Ebrahimifard, M. R. Golobostanfard, H. Abdizadeh, Applied Surface Science 290, 252–259 (2014) (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.11.062).

S. Saha, T. P. Sinha, A. Mookerjee, Physical Review B :Condensed Matter 62, 8828 (2000) (https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.8828).