Design of ZnO with Reduced Direct Bandgap using First-principles Calculation: Electronic, Band Structure, and Optical Properties

Q: 이 논문에서 정의한 직접 밴드갭이란 무엇인가?

직접 밴드갭은 전자가 포논의 도움 없이 원자가띠에서 전도띠로 직접 전이하는 에너지 차이를 의미한다. 이는 전이 과정에서 에너지 손실이 거의 없음을 시사하며, ZnO와 같은 반도체 재료의 광학적 특성을 결정하는 핵심 요소로 작용한다. 밴드 구조 다이어그램에서 G점에서 G점으로의 직접 전이를 통해 확인된다.

Q: V 도핑이 ZnO의 밴드갭 에너지에 어떤 영향을 미치는가?

연구 결과, ZnO에 V 도핑을 증가시키면 밴드갭 에너지가 감소하는 것으로 나타났다. 순수 ZnO의 밴드갭은 3.331 eV였으나, V 도핑량이 12.5%로 증가함에 따라 2.055 eV까지 감소하였다. 이는 V 원자의 도입이 새로운 에너지 준위를 형성하여 밴드갭을 좁히고 흡수 스펙트럼의 적색 편이를 유도하기 때문이다.

Rezhaw A. Qadr; Dlear R. Saber; Shujahadeen B. Aziz

doi:10.5573/JSTS.2022.22.5.291

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자료유형: 학술저널

저자정보: Rezhaw A. Qadr (University of Sulaimani) Dlear R. Saber (University of Sulaimani) Shujahadeen B. Aziz (University of Sulaimani)

저널정보: 대한전자공학회 JOURNAL OF SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY AND SCIENCE Journal of Semiconductor Technology and Science Vol.22 No.5

발행연도: 2022.10

수록면: 291 - 303 (13page)

DOI: 10.5573/JSTS.2022.22.5.291

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In the current work, lattice parameters, band structure, and optical characteristics of neat and doped ZnO are studied by utilizing ultrasoft pseudopotentials (USP) and generalized gradient approximation (GGA) with the support of Firstprinciples calculation (FPC) derived from density functional theory (DFT). The measurements had been performed in the supercell geometry that had been optimized. To discover the lattice parameters, electronic band structure, and optical characteristics of V-doped ZnO, the FPC based on DFT has been applied in CASTEP. The calculated lattice parameters are agree with observed experimental data. The volume of the doped system grows as the content of Vdoping in it increases. Pure and doped ZnO were investigated for band structure and energy bandgaps using the Monkhorst-Pack scheme’s k-point sampling techniques in the high symmetry direction of the Brillouin zone (G-A-H-K-G-M-L-H). In the presence of high V content, the bandgap energy decreases from 3.331 to 2.055 eV. From the band E-K diagram (V.B and C.B), PDOS and DOS diagrams insight into the electronic structure of the atom and the amount to which each energy band contributes to a specific atomic orbital were specified. The bandgaps were manipulated so that they narrowed, resulting in a redshift of the absorption spectrum in the IR region. The imaginary and real parts of the extinction coefficient, refractive index, and dielectric function have all increased at lower photon energies.

#ZnO semiconductor #band structure #first principle calculation #E-K diagram #optical properties

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