Блог

Aug 13, 2023

Настройка ширины запрещенной зоны и коэффициента диэлектрических потерь легированием Mn Zn1

Научные отчеты, том 13,

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8646 (2023) Цитировать эту статью

322 доступа

Подробности о метриках

В данном исследовании изучены структурные, оптические и диэлектрические свойства наночастиц чистого и легированного Mn+2 ZnO (Zn1-xMnxO) с x ≥ 20%, синтезированных методом соосаждения с последующим отжигом при 4500C. Для характеристики свежеприготовленных наночастиц были использованы различные методы определения характеристик. Рентгеноструктурный анализ чистого и легированного Mn+2 показал гексагональную структуру вюрцита и уменьшение размера кристаллитов с увеличением концентрации легирования. Морфологический анализ с помощью СЭМ выявил мелкодисперсные сферические наночастицы размером 40–50 нм. Композиционный анализ с помощью EDX подтвердил включение ионов Mn+2 в структуру ZnO. Результаты УФ-спектроскопии показали, что изменение концентрации легирования влияет на ширину запрещенной зоны, и при увеличении концентрации легирования наблюдается красное смещение. Ширина запрещенной зоны изменяется от 3,3 до 2,75 эВ. Диэлектрические измерения показали уменьшение относительной диэлектрической проницаемости, коэффициента диэлектрических потерь и проводимости на переменном токе при увеличении концентрации Mn.

Среди оксидов металлов оксид цинка всегда имел большое значение для исследователей, поскольку в прошлом он использовался в различных керамических и фармацевтических препаратах1. Недавно он снова оказался в центре внимания, поскольку изменения в физических свойствах материала нашли замечательное применение2. В области оптоэлектроники и фотоники управление запрещенной зоной является ключевым моментом для многих практических устройств3. Благодаря разнообразным свойствам ZnO в литературе описано его применение при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей, оптических волноводов4, прозрачных проводящих оксидов, химических и газовых сенсоров5, спин-функциональных устройств и излучателей УФ-излучения6. Оксид цинка с широкой запрещенной зоной 3,37 эВ при легировании имеет большой потенциал для различных применений, включая фотодатчики, фотодиоды, лазеры, солнечные элементы и светодиоды, при комнатной температуре по сравнению с GaAs7. Сообщалось, что нанопроволоки ZnO используются в солнечных элементах для повышения эффективности4. Легированный переходным металлом ZnO с прямой запрещенной зоной в видимом диапазоне делает его привлекательным как фоточувствительный и светопоглощающий материал.8.VD Mote et al. сообщили, что ZnO, легированный Mn, снова вызвал определенный интерес из-за легирования, которое придает ему разбавленную магнитно-полупроводниковую природу и делает его полезным для спинтроники. Низкое энергопотребление и высокий КПД могут быть достигнуты при комнатной температуре благодаря большой энергии связи экситонов 60 мэВ8. Оксид цинка используется в качестве буферного слоя, прозрачного проводящего оксида и в качестве промежуточного слоя в различных устройствах, поэтому адаптация запрещенной зоны с помощью легирования открывает путь к фотоэлектрическим элементам на основе оксидов металлов, которые являются экономически эффективными по сравнению с устройствами на основе кремния. Многопереходные солнечные элементы могут быть созданы с разным количеством легирующих добавок, чтобы поглощать максимальный диапазон длин волн видимого света. Сообщалось, что ZnO ​​используется в сочетании с TiO2, причем ZnO имеет лучшую проводимость, а TiO2 способствует снижению скорости рекомбинации из-за меньшего количества дефектных состояний9.

Шакил Хан и др. сообщили о диэлектрических свойствах ZnO, легированного Mn; эти свойства изменяются при изменении температуры и типа материала, а при изменении концентрации легирования меняются и эти свойства. Результаты поощряют использование ZnO, легированного Mn, в устройствах, работающих на высоких частотах10. Динеша и др. также сообщили о структурном и диэлектрическом поведении ZnO, легированного Fe, и объяснили увеличение проводимости переменного тока прыжковым механизмом11. Они предполагают, что исследование диэлектрического поведения ZnO, легированного Mn, очень полезно. В современных полупроводниковых технологиях важно ускорить транспортировку электронов и уменьшить потери. DSSC или сенсибилизированные красителем солнечные элементы представляют собой класс экситонных фотоэлементов, которые эффективны и очень стабильны в производстве энергии12. Основная идея состоит в том, чтобы объединить наночастицы ZnO и нанопроволоки ZnO, чтобы создать фотоанод, который обеспечивает большую площадь поверхности для поглощения, а также усиливает транспорт электронов, который можно дополнительно улучшить за счет легирования Mn13. Фаббийола и др. сообщили, что сравнение ионных радиусов Mn+2 и Zn+2 показывает, что они очень похожи и, таким образом, создают хорошую кристаллическую структуру ZnO, легированную Mn, с высокой растворимостью по сравнению с другими переходными металлами14.