Покращення властивостей ZnO: комплексний огляд стратегій легування елементами III групи та практичного застосування

Автор(и)

  • С.К. Наяк Університет технології та менеджменту Центуріон, Одіша, Індія
  • П. Патнейк Університет технології та менеджменту Центуріон, Одіша, Індія
  • Д.К. Дас Університет технології та менеджменту Центуріон, Одіша, Індія
  • М. Барал Університет технології та менеджменту Центуріон, Одіша, Індія

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.227-241

Ключові слова:

ZnO, елементи III групи, ширина забороненої зони, DFT, розрахунки з перших принципів

Анотація

Університет технології та менеджменту Центуріон, Одіша, Індія, padmaja.patnaik@gmail.com

Напівпровідники з широкою забороненою зоною, такі як оксид цинку (ZnO), володіють значним потенціалом для застосування в пристроях накопичення енергії, в оптоелектроніці, газових сенсорах та інших галузях. Однак їх практичне використання часто визначається внутрішніми обмеженнями електропровідності та ширини забороненої зони, що потребує цілеспрямованої модифікації властивостей. Як ефективна стратегія подолання цих обмежень може розглядатися легування елементами III групи. Електронні властивості ZnO, зокрема ширина забороненої зони, густина станів (DOS), часткова густина станів (PDOS), магнітні властивості, а також оптичні характеристики – електропровідність, діелектричні втрати, відбивна здатність, прозорість та поглинання – зазвичай досліджуються методами розрахунків з перших принципів у межах теорії функціоналу густини (DFT).

У даній оглядовій статті розглянуто сучасні досягнення у дослідженні ZnO, а також у ZnO, легованому елементами III групи (B, Al, Ga, In). Висвітлено різноманітні перспективні застосування ZnO, зокрема в світлодіодах (LED), газових сенсорах, п’єзоелектричних пристроях та сонячних елементах. Для вивчення структурних, електронних і оптичних властивостей як чистого, так і легованого ZnO було застосовано численні теоретичні підходи з використанням різних наближень.

Посилання

M. Ivill, S.J. Pearton, P.1518 D.P Norton, Jkaly, A.F. Hebard, Magnetization dependence on electron density in epitaxial ZnO thin films codoped with Mn and Sn, J Apple Phys, 97, P.053904 (2005).

A. Das, G. Das, D. Kabiraj, & D. Basak, High conductivity along with high visible light transparency in Al implanted sol-gel ZnO thin film with an elevated figure of merit value as a transparent conducting layer. Journal of Alloys and Compounds, 835, 155221 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155221.

A.A. Mutalib, & N.F. Jaafar, ZnO photocatalysts applications in abating the organic pollutant contamination: A mini review. Total Environment Research Themes, 100013 (2022); https://doi.org/10.1016/j.totert.2022.100013.

R. Kumar, O. Al-Dossary, G. Kumar, & A. Umar, Zinc oxide nanostructures for NO 2 gas–sensor applications: A review. Nano-Micro Letters, 7, 97 (2015); https://doi.org/10.1007/s40820-014-0023-3.

M.N. Rezaie, S. Mohammadnejad, & S. Ahadzadeh, Hybrid inorganic-organic light-emitting heterostructure devices based on ZnO. Optics & Laser Technology, 138, 106896 (2021); https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106896.

F. Rahman, Zinc oxide light-emitting diodes: a review. Optical Engineering, 58(1), 010901 (2019); https://doi.org/10.1117/1.OE.58.1.010901.

M.K.A.A. Al-Byati, & A.M.J. Al-Duhaidahawi, Synthesis and Characterization of Zinc Oxide Nanoparticles by Electrochemical Method for Environmentally Friendly Dye-Sensitized Solar Cell Applications (DSSCs). Biomedicine and Chemical Sciences, 2(1), 53 (2023); https://doi.org/10.48112/bcs.v2i1.348.

M. Wlazło, M. Haras, G. Kołodziej, O. Szawcow, J. Ostapko, W. Andrysiewicz, & T. Skotnicki, Piezoelectric Response and Substrate Effect of ZnO Nanowires for Mechanical Energy Harvesting in Internet-of-Things Applications, Materials, 15(19), 6767 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15196767.

Y. Hinuma, T. Toyao, T. Kamachi, Z. Maeno, S. Takakusagi, S. Furukawa, ... & K.I. Shimizu, Density functional theory calculations of oxygen vacancy formation and subsequent molecular adsorption on oxide surfaces. The Journal of Physical Chemistry C, 122(51), 29435 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b11279.

D.Q. Fang, R.Q. Zhang, Y. Zhang, & S.L. Zhang, Effect of oxygen and zinc vacancies in ferromagnetic C-doped ZnO: Density-functional calculations. Journal of magnetism and magnetic materials, 354, 257 (2014); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2013.11.015.

I. Ritacco, O. Sacco, L. Caporaso, & M.F. Camellone, DFT Investigation of Substitutional and Interstitial Nitrogen-Doping Effects on a ZnO (100)–TiO2 (101) Heterojunction. The Journal of Physical Chemistry C, 126(6), 3180 (2022); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c09395.

A. Janotti, & C.G. Van de Walle, LDA+ U and hybrid functional calculations for defects in ZnO, SnO2, and TiO2. Physica status solidi (b), 248(4), 799 (2011); https://doi.org/10.1002/pssb.201046384.

F. Oba, M. Choi, A. Togo, & I. Tanaka, Point defects in ZnO: an approach from first principles. Science and Technology of Advanced Materials. 034302 (2011); https://doi.org/10.1088/1468-6996/12/3/034302.

S. Bai, S. Chen, Y. Zhao, T.Guo, R. Luo, D. Li, & A. Chen, Gas sensing properties of Cd-doped ZnO nanofibers synthesized by the electrospinning method. Journal of Materials Chemistry A, 2(39), 16697 (2014); https://doi.org/10.1039/C4TA03665D.

H.C. Wu, H.H. Chen, & Y. R. Zhu, Effects of Al-impurity type on formation energy, crystal structure, electronic structure, and optical properties of ZnO by using Density Functional Theory and the Hubbard-U method. Materials, 9(8), 647 (2016); https://doi.org/10.3390/ma9080647.

P. Erhart, A. Klein, & K. Albe, First-principles study of the structure and stability of oxygen defects in zinc oxide. Physical Review B, 72(8), 085213 (2005); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.085213.

Y. Liu, Q.Y. Hou, H.P. Xu, L.M. Li, & Y. Zhang, First-principles study of the effect of heavy Ni doping on the electronic structure and absorption spectrum of wurtzite ZnO. Physica B: Condensed Matter, 407(13), 2359 (2012); https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.02.030.

J. Wang, Z. Wang, B. Huang, Y. Ma, Y. Liu, X. Qin,... & Y. Dai, Oxygen vacancy induced band-gap narrowing and enhanced visible light photocatalytic activity of ZnO. ACS applied materials & interfaces, 4(8), 4024 (2012); https://doi.org/10.1021/am300835p.

L.N. Wang, X.Y. Fang, Z.L. Hou, Y.L. Li, K. Wang, J. Yuan, & M.S. Cao, Polarization mechanism of oxygen vacancy and its influence on dielectric properties in ZnO. Chinese Physics Letters, 28(2), 027101 (2011); https://doi.org/10.1088/0256-307X/28/2/027101.

K. Wang, D. Liu, L. Liu, J. Liu, X. Hu, P. Li,... & S. Ding, Tuning the local electronic structure of oxygen vacancies over copper-doped zinc oxide for efficient CO2 electro reduction. E Science, 2(5), 518 (2022); https://doi.org/10.1016/j.esci.2022.08.002.

A. Moezzi, A.M. McDonagh, & M.B. Cortie, Zinc oxide particles: Synthesis, properties and applications. Chemical engineering journal, 185, 1 (2012); https://doi.org/10.1016/j.cej.2012.01.076.

W.M. Haynes (Ed.). CRC handbook of chemistry and physics (CRC press, 2014).

K. Takahashi, A. Yoshikawa, & A. Sandhu, Wide bandgap semiconductors. Verlag Berlin Heidelberg, (2007).

F. Tran, & P. Blaha, Accurate band gaps of semiconductors and insulators with a semilocal exchange-correlation potential. Physical review letters, 102(22), 226401 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.226401.

P.E. Blöchl, Projector augmented-wave method. Physical review B, 50(24), 17953 (1994); https://doi.org/10.1103/physrevb.50.17953.

G. Kresse, & D. Joubert, From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Physical review b, 59(3), 1758 (1999); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758.

R.M. Almeida, A.L. da Rosa, T. Frauenheim, & J.S. de Almeida, Optoelectronic properties of zinc oxide: a first‐principles investigation using the Tran–Blaha modified Becke–Johnson potential. Physica status solidi (b), 256(4), 1800380 (2019); https://doi.org/10.1002/pssb.201800380.

G. Tse, The optical and elastic properties of strained ZnO by first principle calculations. Computational Condensed Matter, 26, e00525 (2021); https://doi.org/10.1016/j.cocom.2020.e00525.

V.N. Jafarova, & G.S. Orudzhev, Structural and electronic properties of ZnO: A first-principles density-functional theory study within LDA (GGA) and LDA (GGA)+ U methods. Solid State Communications, 325, 114166 (2021); https://doi.org/10.1016/j.ssc.2020.114166.

M.K.Yaakob, N.H. Hussin, M.F.M. Taib, T.I.T.Kudin, O.H. Hassan, A.M.M. Ali, & M.Z.A. Yahya, First principles LDA + U calculations for ZnO materials. Integrated Ferroelectrics, 155(1), 15 (2014); https://doi.org/10.1080/10584587.2014.905086.

B. Ul Haq, R. Ahmed, S. Goumri-Said, AShaari, & A. Afaq, Electronic structure engineering of ZnO with the modified Becke–Johnson exchange versus the classical correlation potential approaches. Phase Transitions, 86(12), 1167 (2013); https://doi.org/10.1080/01411594.2012.755183.

X. Ma, Y. Wu, Y. Lv, & Y. Zhu, Correlation effects on lattice relaxation and electronic structure of ZnO within the GGA+ U formalism. The Journal of Physical Chemistry C, 117(49), 26029 (2013); https://doi.org/10.1021/jp407281x.

R.M. Almeida, A.L. da Rosa, T. Frauenheim, & J.S. de Almeida, Optoelectronic properties of zinc oxide: a first‐principles investigation using the Tran–Blaha modified Becke–Johnson potential. Physica status solidi (b), 256(4), 1800380 (2019); https://doi.org/10.1002/pssb.201800380.

Y.S. Lee, Y.C. Peng, J.H. Lu, Y.R. Zhu, & H.C.Wu, Electronic and optical properties of Ga-doped ZnO. Thin Solid Films, 570, 464 (2014).

X.Y. Deng, G.H. Liu, X.P. Jing, & G.S. Tian, On‐site correlation of p‐electron in d10 semiconductor zinc oxide. International Journal of Quantum Chemistry, 114(7), 468 (2014); https://doi.org/10.12677/JAPC.2016.52007.

X. Ma, Y. Wu, Y. Lv, & Y. Zhu, Correlation effects on lattice relaxation and electronic structure of ZnO within the GGA+ U formalism. The Journal of Physical Chemistry C, 117(49), 26029 (2013); https://doi.org/10.1021/jp407281x.

L. Honglin, L.Yingbo, L. Jinzhu, & Y. Ke, Experimental and first-principles studies of structural and optical properties of rare earth (RE= La, Er, Nd) doped ZnO. Journal of alloys and compounds, 617, 102 (2014); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.019.

J.Q. Wen, Y.S. Han, X. Yang, & J.M. Zhang, Computational research of electronic, optical and magnetic properties of Ce and Nd co-doped ZnO. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 125, 90 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.10.014.

K. Harun, M.K. Yaakob, M.F.M.Taib, B. Sahraoui, Z.A. Ahmad, & A.A. Mohamad, Efficient diagnostics of the electronic and optical properties of defective ZnO nanoparticles synthesized using the sol–gel method: experimental and theoretical studies. Materials Research Express, 4(8), 085908 (2017); https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa8151.

G. Kresse, & J. Furthmüller, Efficiency of ab-initio total energy calculations for metals and semiconductors using a plane-wave basis set. Computational materials science, 6(1), 15 (1996); https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0.

P. Sikam, P. Moontragoon, Z. Ikonic, T. Kaewmaraya, & P. Thongbai, The study of structural, morphological and optical properties of (Al, Ga)-doped ZnO: DFT and experimental approaches. Applied Surface Science, 480, 621 (2019); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.02.255.

T. Munir, M. Kashif, W. Hussain, A. Shahzad, M. Imran, AAhmed, ... & M. Noreen, First principles study of structural and electronic properties of Ti doped ZnO, Journal of Ovonic Research, 14(5), 333 (2018).

M. Khuili, N.. Fazouan, H. Abou El Makarim, G. El Halani, & E.H. Atmani, Comparative first principles study of ZnO doped with group III elements. Journal of Alloys and Compounds, 688, 368 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.06.294.

Y.C. Peng, C.C. Chen, H.C. Wu, & J.H. Lu, First-principles calculations of electronic structure and optical properties of Boron-doped ZnO with intrinsic defects. Optical Materials, 39, 34 (2015); https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.10.058

M.D. Segall, P.J. Lindan, M.A Probert, C.J. Pickard, P.J. Hasnip, S.J. Clark, & M.C. Payne, First-principles simulation: ideas, illustrations and the CASTEP code, Journal of physics: condensed matter, 14(11), 2717 (2002); https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/11/301.

C.C. Chen, & H.C. Wu, Electronic structure and optical property analysis of Al/Ga-Codoped ZnO through first-principles calculations. Materials, 9(3), 164 (2016); https://doi.org/10.3390/ma9030164.

M. Wu, D. Sun, C. Tan, X.Tian, & Y. Huang, Al-doped ZnO monolayer as a promising transparent electrode material: a first-principles study. Materials, 10(4), 359 (2017); https://doi.org/10.3390/ma10040359.

D. Xiong, M. He, W. Zhang, W. Zhao, Q. Wang, & Z. Feng, Ab initio study on the electronic and optical properties of B-doped ZnO. Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 21, 129 (2019).

T.S. Moss, The Photo-electro-magnetic effect in germanium and lead sulphide. Physica, 20(7-12), 989 (1954); https://doi.org/10.1016/S0031-8914(54)80213-8.

X.Y. Du, Y.Q. Fu, S.C. Tan, J. K. Luo, A.J. Flewitt, S. Maeng, ... & W.I. Milne, ZnO film for application in surface acoustic wave device. In Journal of Physics: Conference Series 76(1), 012035, (2007); https://doi.org/10.1088/1742-6596/76/1/012035.

Y.Q. Fu, J.K. Luo, N.T. Nguyen, A.J. Walton, A.J. Flewitt, X.T. Zu,... & W.I. Milne, Advances in piezoelectric thin films for acoustic biosensors, acousto fluidics and lab-on-chip applications. Progress in Materials Science, 89, 31 (2017); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2017.04.006.

X.Y. Du, Y.Q. Fu, S.C. Tan, J.K. Luo, A.J. Flewitt, S. Maeng ,... & W.I. Milne, ZnO film for application in surface acoustic wave device. In Journal of Physics: Conference Series, 76(1), 012035 (2007); https://doi.org/10.1088/1742-6596/76/1/012035.

J. Huang, Z. Yin, & Q. Zheng, Applications of ZnO in organic and hybrid solar cells. Energy & Environmental Science, 4(10), 3861 (2011); https://doi.org/10.1039/C1EE01873F.

A. Wibowo, M.A. Marsudi, M. I. Amal, M.B. Ananda, R. Stephanie, H. Ardy, & L. J. Diguna, ZnO nanostructured materials for emerging solar cell applications. RSC advances, 10(70), 42838 (2020); https://doi.org/10.1039/D0RA07689A.

R. Zahoor, A. Jalil, S.Z. Ilyas, S. Ahmed, & A. Hassan, Optoelectronic and solar cell applications of ZnO nanostructures. Results in Surfaces and Interfaces, 2, 100003 (2021); https://doi.org/10.1016/j.rsurfi.2021.100003.

K. Keis, C. Bauer, G. Boschloo, A. Hagfeldt, K. Westermark, H. Rensmo, & H. Siegbahn, Nanostructured ZnO electrodes for dye-sensitized solar cell applications. Journal of Photochemistry and photobiology A: Chemistry, 148(1-3), 57 (2002); https://doi.org/10.1016/S1010-6030(02)00039-4.

S.J.Pearton, & F. Ren, Advances in ZnO-based materials for light emitting diodes. Current Opinion in Chemical Engineering, 3, 51 (2014); https://doi.org/10.1016/j.coche.2013.11.002.

P. Manzhi, R. Kumari, M.B. Alam, G.R. Umapathy, R. Krishna, S. Ojha,... & O.P. Sinha, Mg-doped ZnO nanostructures for efficient organic light emitting diode. Vacuum, 166, 370 (2019); https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2018.10.070.

Y.S. Choi, J.W. Kang, D.K. Hwang, & S.J. Park, Recent advances in ZnO-based light-emitting diodes. IEEE Transactions on electron devices, 57(1), 26 (2009); https://doi.org/10.1109/TED.2009.2033769.

J.B. Kim, D. Byun, S.Y. Ie, D.H. Park, W.K. Choi, J.W. Choi, & B. Angadi, Cu-doped ZnO-based p–n hetero-junction light emitting diode. Semiconductor science and technology, 23(9), 095004 (2008); https://doi.org/10.1088/0268-1242/23/9/095004.

Y. Kang, F. Yu, L. Zhang, W. Wang, L. Chen, & Y. Li, Review of ZnO-based nanomaterials in gas sensors. Solid State Ionics, 360, 115544 (2021); https://doi.org/10.1016/j.ssi.2020.115544.

L. Zhu, & W. Zeng, Room-temperature gas sensing of ZnO-based gas sensor: A review. Sensors and Actuators A: Physical, 267, 242 (2017); https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.10.021.

T. Shaikh, & S. Jain, ZnO Nanostructure Based Gas Sensors: Critical Review Based on their Synthesis and Morphology Towards Various Oxidizing and Reducing Gases. Current Nanomaterials, 8(4), 336 (2023); https://doi.org/10.2174/2405461508666221229103713.

V.S. Bhati, M. Hojamberdiev, & M. Kumar, Enhanced sensing performance of ZnO nanostructures-based gas sensors: A review. Energy Reports, 6, 46 (2020); https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.08.070.

M.A. Franco, P.P. Conti, R.S. Andre, & D.S. Correa, A review on chemo resistive ZnO gas sensors. Sensors and Actuators Reports, 4, 100100 (2022); https://doi.org/10.1016/j.snr.2022.100100.

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-04-11

Як цитувати

Наяк, С., Патнейк, П., Дас, Д., & Барал, М. (2026). Покращення властивостей ZnO: комплексний огляд стратегій легування елементами III групи та практичного застосування. Фізика і хімія твердого тіла, 27(2), 227–241. https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.227-241

Номер

Розділ

Огляд