Вісник Львівського університету. Серія фізична 59 (2022) с. 61-77
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.59.2022.61

Кристалічна структура та оптичні властивості тонких плівок ZnO легованого атомами Al: першопринципне моделювання та експеримент

В. Дзіковський, О. Бовгира, М. Коваленко, А. Кашуба, І. Семків, Н. Покладок

Тонкі плівки ZnO леговані Al були отримані методом високочастотного магнетронного напилювання. Фазовий аналіз та параметри кристалічної структури були отримані з даних рентгенівської дифракції. Середній розмір зерна плівки визначали за формулою Шеррера. Також встановлено величину деформації та щільність дислокацій. Досліджено спектральну залежність оптичного пропускання отриманого зразка у видимій та ближній інфрачервоній областях за кімнатної температури. Визначено інтегральний оптичний коефіцієнт пропускання та значення ширини забороненої зони досліджуваних плівок. На основі отриманих експериментальних результатів визначено показник заломлення та високочастотну діелектричну проникність, використовуючи співвідношення Трипаті, Мосса, Равіндри та Ерве-Вандама. Для кращого розуміння експериментальних даних проведено першопринципні розрахунки в межах теорії функціоналу густини структури та електронних властивостей ZnO:Al. Встановлено, що для опису зміни оптичної ширини забороненої зони, при легуванні атомами Al, необхідно враховувати ефект Бурштейна–Мосса. Наші теоретичні результати добре пояснюють тенденцію змін у відповідних експериментальних результатах.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Al-Ghamdi A. A. Semiconducting properties of Al doped ZnO thin films / A. A. Al-Ghamdi, O. A. Al-Hartomy and M. El Okr et al. // Spectrochim. Acta A. -- 2014. -- Vol. 131. -- P. 512--517. doi:10.1016/j.saa.2014.04.020.
  2. Dobrozhan O. Morphological, structural and optical properties of Mg-doped ZnO nanocrystals synthesized using polyol process / O. Dobrozhan, O. Diachenko, M. Kolesnyk et al. // Materials Science in Semiconductor Processing. -- 2019. -- Vol. 102. -- P. 104595. doi: 10.1016/j.mssp.2019.104595.
  3. Zhyrovetsky V. M. Nanopowder Metal Oxide for Photoluminescent Gas Sensing / V. M. Zhyrovetsky, D. I. Popovych, S. S. Savka and A. S. Serednytski // Nanoscale Res. Lett. -- 2017. -- Vol. 12. -- P. 132. doi: 10.1186/s11671-017-1891-5.
  4. Bovhyra R. V. Photoluminescent properties of complex metal oxide nanopowders for gas sensing / R. V. Bovhyra, S. I. Mudry, D. I. Popovych et al. // Appl. Nanosci. -- 2019. -- Vol. 9. -- P. 775--780. doi:10.1007/s13204-018-0697-9
  5. Bouchenak Khelladi N. Optical properties of ZnO thin film / N. Bouchenak Khelladi and N. E. Chabane Sari // Advances in Materials Science -- 2013. -- Vol. 13. -- P. 21--29. doi: 10.2478/adms-2013-0003.
  6. Samavati A. Structural, optical and electrical evolution of Al and Ga co-doped ZnO/SiO2/glass thin film: role of laser power density / A. Samavati, Z. Samavati, A. F. Ismail et al. // RSC Adv. -- 2017. -- Vol. 7. -- P. 35858--35868. doi: 10.1039/C7RA04963C.
  7. Zhang D. H. Preparation of transparent conducting ZnO:Al films on polymer substrates by r. f. magnetron sputtering / D. H. Zhang, T. L. Yang, J. Ma et al. // Appl. Surf. Sci. -- 2000. -- Vol. 158. -- P. 43--48. doi: 10.1016/S0169-4332(99)00591-7.
  8. da Silva E. P. Al-Doping Effect on the Surface Morphology of ZnO Films Grown by Reactive RF Magnetron Sputtering / E. P. da Silva, M. Chaves, G. J. da Silva et al. // Materials Sciences and Applications -- 2013. -- Vol. 4. -- P. 761--767. doi: 10.4236/msa.2013.412096.
  9. Manoharan C. Characterization and study of antibacterial activity of spray pyrolysed ZnO:Al thin film / C. Manoharan, G. Pavithra, M. Bououdina et al. // Appl. Nanosci. -- 2016. -- Vol. 6. -- P. 815--825. doi: 10.1007/s13204-015-0493-8.
  10. Jamal R. K. Optical properties of nanostructured ZnO prepared by a pulsed laser deposition technique / R. K. Jamal, M. A. Hameed, and K. A. Adem // Mater. Lett. -- 2014. -- Vol. 132. -- P. 31--33. doi: 10.1016/j.matlet.2014.06.047.
  11. Ng Z. N. Al and Ga doped ZnO films prepared by a sol–gel spin coating technique /Z. N. Ng, K. Y. Chan, C. Y. Low, S. A. Kamaruddin, M. Z. Sahdan // Ceram. Int. -- 2015. -- Vol. 41. -- P. 254--258. doi: 10.1016/j.ceramint.2015.03.183.
  12. Kuprenaite S. Properties of In-, Ga- and Al-doped ZnO films grown by aerosol-assisted MOCVD: Influence of deposition temperature, doping level and annealing / S. Kuprenaite, T. Murauskas, A. Abrutis, V. Kubilius, Z. Saltyte, V. Plausinaitiene // Surf. Coat. Technol. -- 2015 -- Vol. 271. -- P. 156--164. doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.12.052.
  13. Kapustianyk V. B. Effect of Dopants and Surface Morphology on the Absorption Edge of ZnO Films Doped with In, Al, and Ga / V. B. Kapustianyk, B. I. Turko, V. P. Rudyk et al. // J. Appl. Spectrosc. -- 2015. -- Vol. 82. -- P. 153--156. doi: 10.1007/s10812-015-0079-y.
  14. Berrezoug H. I. First principle study of structural stability, electronic structure and optical properties of Ga doped ZnO with different concentrations / H. I. Berrezoug, A. E. Merad, M. Aillerie, A. Zerga // Mater. Res. Express -- 2017. -- Vol. 4. -- P. 035901. doi: 10.1088/2053-1591/aa6076.
  15. Wu H.-Ch. 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 / H.-Ch. Wu, H.-H. Chen and Yu Zhu // Materials -- 2016. -- Vol. 9. -- P. 647. doi: 10.3390/ma9080647.
  16. Hou Q. First-principles research on the optical and electrical properties and mechanisms of In-doped ZnO / Q. Hou, D. Xi, W. Li, X. Jia, Z. Xu // Physica B: Condens. Matter. -- 2018. -- Vol. 537. -- P. 258. doi: 10.1016/j.physb.2018.02.026.
  17. Бовгира О. Вплив сильного леґування атомами In, Ga та Al на електронну структуру ZnO: розрахунок з перших принципів / О. Бовгира, М. Коваленко, Р. Бовгира, В. Дзіковський // Журнал фізичних досліджень. -– 2019. -– т. 23, № 4. -– С. 4301. doi: 10.30970/jps.23.4301.
  18. Petrus R. Surface-barrier Structures Au/n-CdS: Fabrication and Electrophysical Properties / R. Petrus, H. Ilchuk, A. Kashuba et al. // J. Nano Electron. Phys. -- 2019. -- Vol. 11. -- P. 03020. doi: 10.21272/jnep.11(3).03020.
  19. Danylov A. B. Influence of Annealing on the Structure of Ultrathin Gold Films on the Surface of Glass and CdS Substrates / A. B. Danylov, H. A. Ilchuk, R. Yu. Petrus et al. // J. Nano Electron. Phys. -- 2018. -- Vol. 10. -- P. 05011. doi: 10.21272/jnep.10(5).05011.
  20. Petrus R. Y. Optical-Energy Properties of CdS Thin Films Obtained by the Method of High-Frequency Magnetron Sputtering / R. Y. Petrus, H. A. Ilchuk, A. I. Kashuba et al. // Opt. Spectrosc. -- 2019. -- Vol. 126. -- P. 220--225. doi: 10.1134/S0030400X19030160.
  21. Giannozzi P. Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO / P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme et al. // J. Phys. Condens. Matter -- 2017. -- Vol. 29. -- P. 465901. doi: 10.1088/1361-648X/aa8f79.
  22. Vanderbilt D. Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism / D. Vanderbilt // Phys. Rev. B -- 1990. -- Vol. 41. -- P. 7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892.
  23. Qu X. First-principles study of the electronic structure of Al and Sn co-doping ZnO system / X. Qu, S. Lu, D. Jia, S. Zhou, Q. Meng // Materials Science in Semiconductor Processing -- 2013. -- Vol. 16. -- P. 1057--1062. doi: 10.1016/j.mssp.2013.04.002.
  24. Sheetz M. Defect-induced optical absorption in the visible range in ZnO nanowires / M. Sheetz, I. Ponomareva E. Richter, A. N. Andriotis, M. Menon // Phys. Rev. B -- 2009. -- Vol. 80. -- P. 195314. doi: 10.1103/PhysRevB.80.195314.
  25. Wu H.-Ch. Effects of Ga concentration on electronic and optical properties of Ga-doped ZnO from first principles calculations / H.-Ch. Wu, H.-H. Chen and Yu Zhu // Materials -- 2016. -- Vol. 9. -- P. 647. doi: 10.3390/ma9080647.
  26. Bovgyra O. V. First principles DFT + U calculations of the electronic properties of ZnO/GaN heterostructure / O. V. Bovgyra, M. V. Kovalenko, V. Ye. Dzikovskyi, A. P. Vaskiv, M. Ya. Sheremeta // J. Nano-Electron. Phys. -- 2020. -- Vol. 12. -- P. 05003. doi: 10.21272/jnep.12(5).05003.
  27. Kovalenko M. Electronic structure of ZnO thin films doped with group III elements / M. Kovalenko, O. Bovgyra, A. Franiv, V. Dzikovskyi // Materials Today: Proceeding. –- 2021. –- Vol. 35. -- P. 604--608. doi: 10.1016/j.matpr.2019.11.274.
  28. Mang A. Band gaps, crystal-field splitting, spin-orbit coupling, and exciton binding energies in ZnO under hydrostatic pressure / A. Mang, K. Reimann, St. Rubenacke // Solid State Commun. -- 1995. -- Vol. 94. -- P. 251–254. doi: 10.1016/0038-1098(95)00054-2.
  29. Scherrer P. Bestimmung der Gr\"obe und der inneren Struktur von Kolloidteilchen mittels R\"ontgenstrahlen / P. Scherrer // Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu G\"ottingen, Mathematisch-Physikalische Klasse -- 1918. -- Vol. 1918. -- P. 98--100.
  30. Prabahar S. CdS thin films from two different chemical baths—structural and optical analysis / S. Prabahar, and M. Dhanam // J. Cryst. Growth. -- 2005. -- Vol. 285. -- P. 41--48. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2005.08.008.
  31. Treharne R. E. Optical Design and Fabrication of Fully Sputtered CdTe/CdS Solar Cells / R. E. Treharne, A. Seymour-Pierce, K. Durose et al. // J. Phys: Conf. Ser. -- 2011. -- Vol. 286. -- P. 012038. doi: 10.1088/1742-6596/286/1/012038.
  32. Ganesh T. Effect of Al dopant concentration on structural, optical and photoconducting properties in nanostructured zinc oxide thin films /T. Ganesh, S. Rajesh, F. P. Xavier // Mater. Sci. Semiconduct. Process. -- 2013. -- Vol. 16. -- P. 295–302. doi: 10.1016/j.mssp.2012.10.008.
  33. Gab\'as M. Differences in n-type doping efficiency between Al- and Ga-ZnO films / M. Gab\'as, A. Landa-C\'anovas, J. L. Costa-Kr\"amer et al. // J. Appl. Phys. -- 2013. -- Vol. 113. -- P. 163709. doi: 10.1063/1.4803063.
  34. Bouderbala M. Thickness dependence of structural, electrical and optical behaviour of undoped ZnO thin film / M. Bouderbala, S. Hamzaoui, B. Amrani, A. H. Reshak, M. Adnane, T. Sahraoui, M. Zerdali // Physica B. -- 2008. -- Vol. 403. -- P. 3326. doi: 10.1016/j.physb.2008.04.045.
  35. Moss T. A Relationship between the Refractive Index and the Infra-Red Threshold of Sensitivity for Photoconductors / T. Moss // Proc. Phys. Soc. B. -- 1950. -- Vol. 63(3). -- P. 167. doi: 10.1088/0370-1301/63/3/302.
  36. Ravindra N. M. On the Penn Gap in Semiconductors / N. M. Ravindra, S. Auluck, and V. K. Srivastava // Phys. Stat. Sol. (B). -- 1979. -- Vol. 93. -- P. K155. doi: 10.1002/pssb.2220930257.
  37. Herve P. J. L. General relation between refractive index and energy gap in semiconductors / P. J. L. Herve, and L. K. J. Vandamme // Infrared Phys. -- 1994. -- Vol. 35. -- P. 609. doi: 10.1016/1350-4495(94)90026-4.
  38. Herve P. J. L. Empirical temperature dependence of the refractive index of semiconductors / P. J. L. Herve, and L. K. J. Vandamme // J. Appl. Phys. -- 1995. -- Vol. 77. -- P. 5476. doi: 10.1063/1.359248.
  39. Tripathy S. K. Refractive indices of semiconductors from energy gaps / S. K. Tripathy // Optical materials. -- 2015. -- Vol. 46. -- P. 240--246. doi: 10.1016/j.optmat.2015.04.026.
  40. Burstein E. Anomalous optical absorption limit in InSb / E. Burstein // Phys. Rev. -- 1954. -- Vol. 93. -- P. 632. doi: 10.1103/PhysRev.93.632.
  41. Moss T. S. The interpretation of the properties of indium antimonide / T. S. Moss // Proc. Phys. Soc. Lond. B -- 1954. -- Vol. 67. -- P. 77. doi: 10.1088/0370-1301/67/10/306.