بخشی از مقاله
چکیده
خواص اپتیکی ترکیب گرافنگونه اکسید روي در دو حالت خالص و تهیجایی Zn با استفاده از روش امواج تخت بهبود یافته خطی و پتانسیل کامل بررسی شده است. نتایج نشان میدهند که تهیجایی اتم Zn در ترکیب گرافنگونه اکسیدروي منجر به رفتار نیم رساناي نوع p میشود. تابع ديالکتریک، ثابت ديالکتریک استاتیک و ضریب جذب ورقه گرافنگونه اکسید روي در دو حالت خالص و تهیجایی Zn براي دو قطبش میدان الکتریکی به کار رفته شده محاسبه شدند. قله خواص اپتیکی همچون بخش موهومی تابع ديالکتریک و طیف جذب در انرژي پایین تغییر میکند. طیف جذب جابهجایی قرمز را نشان میدهد و لبه جذب اپتیکی کاهش مییابد که در تطابق با تغییرات گاف نواري است. نتایج امکان استفاده از ترکیب فوق در ادوات فوتوالکتریک فروسرخ و مرئی دارد
مقدمه
اکسید روي - ZnO - به عنوان یک اکسید رساناي شفاف - TCO - یکی از مهمترین نیمرساناهاي ترکیبی گروههاي دو و شش جدول تناوبی است. اکسید روي یک نیمرساناي ذاتی نوع n با گاف نواري مستقیم در حدود 3/4 eV و انرژي فعالسازي اکسیتونی 60 meV با خواص پیرو و پیزوالکتریک است .[1]شناخت اکسیدهاي رساناي شفاف - TCO - به بیش از یک قرن پیش بر میگردد. اکسید کادمیوم - CdO - به شکل کپهاي در سال 1902 و پنج سال بعد به صورت لایه نازك ساخته و مشخصهیابی شد 2]،.[3 از آن به بعد فعالیت وسیعی در زمینه فنآوري TCO براي تهیه انواع جدید TCO با کاربردهاي فراوان انجام شده است. اولین TCO بر پایه ZnO در سال 1971 گزارش شده است .[4]
نتایج تجربی نشان میدهند که عیوب ذاتی از جمله عیوبی هستند که اغلب در ساختار بلوري یافت میشوند و بر خواص الکتریکی و اپتیکی نیمرسانا تاثیر میگذارند .[5] از سوي دیگر، مهندسی عیوب ذاتی موجود در سیستم از جمله روشهاي کنترل خواص ماده به شمار میآید. بنابراین مطالعه عیوب نقطهاي در ساختار ZnO براي بهکارگیري آن در ادوات نیمرسانا از اهمیت بالایی برخوردار است. در کار حاضر، خواص اپتیکی ترکیب گرافنگونه اکسید روي در دو حالت خالص و تهیجایی Zn مورد مطالعه قرار گرفته است.
روش انجام محاسبات
کلیه محاسبات در چارچوب نظریه تابعی چگالی با استفاده از بستهي محاسباتی WIEN2k با رهیافت امواج تخت بهبود یافته خطی و پتانسیل کامل انجام شد. تصحیح همبستگی-تبادلی به کمک تقریب چگالی گرادیان تعمیمیافته اعمال شد. همگرایی امواج پایه به وسیله پارامتر قطع Rmt×Kmax =7/5 کنترل شد که Rmt کوچکترین شعاع کره مافین تین و Kmax مقدار بزرگترین بردار شبکه معکوس است که در بسط امواج تخت استفاده شده است. شعاع کرههاي مافین تین براي اتمهاي Zn و O به ترتیب برابر 1/83a.u و 1/57 a.u است.
انرژي قطع جداسازي الکترونهاي مغزه و والانس برابر -7 Ry است به گونهاي که الکترونهاي والانس براي Zn و O به ترتیب 18 الکترون - Zn: 3p6 3d10 4s2 - و 6 الکترون - O: 2s2 2p4 - هستند. ناحیه بریلوئن توسط مجموعه 4×4×2 نقطه k براي بهینهسازي ساختار و محاسبات انرژي در نظر گرفته شد. در محاسبات اپتیکی از شبکهبندي چگالتر معادل مجموعه 12×12×2 نقطه k استفاده شد. در تمام محاسبات، همگرایی بر روي سه کمیت انرژي، نیرو و بار بوده و معیار همگرایی به ترتیب 10- 3 Ry، 1 mRy/a.u و 10-4 e انتخاب شد.
ساختار ورقه تک لایه دو بعدي ZnO
اکسید روي - ZnO - در شرایط متعارف ترمودینامیکی در فاز ورتسایت با گروه فضایی p63mc به صورت شبکه هگزاگونال با 4 اتم در یاخته واحد متبلور میشود. ثابتهاي شبکه هگزاگونال ساختار کپهاي ZnO بعد از بهینهسازي و رسیدن به تعادل برابر a=b=1/13Å و c=5/02 Å بوده که براي ساخت تک لایه گرافن گونه ZnO از آن کمک گرفته شد. پارامترهاي محاسبهشده تطابق خوبی با مقدار تجربی دارد که بیانگر صحت نتایج بهدست آمده در ادامه است .[6] گاف نواري بلور نیمرساناي سه بعدي ZnO کمتر از مقدار تجربی آن است که ناشی از تقریب بهکار گرفته شده در محاسبات است که بر تحلیلهاي حاضر تاثیرگذار نیست، زیرا بر روند تغییرات دیگر خواص الکترونی و اپتیکی بیاثر است.
در اینجا بر تغییرات نسبی گاف نواري توجه داریم. ورقه گرافنگونه اکسید روي با حذف پیوند در راستاي z از ساختار ورتسایت ZnO به صورت ششوجهی کندوي زنبوري و با اعمال خلاء 10 آنگستروم براي جلوگیري از برهمکنش بین لایههاي مجاور ایجاد شد. بعد از بهینهسازي، ساختار اولیه به ساختار سطحگونه تبدیل شد. براي مطالعه عیوب ذاتی تهیجایی در ورقه گرافنگونه اکسید روي، از ابریاخته شامل 4×4×1 یاخته واحد در برگیرنده 32 اتم - Zn16O16 - استفاده کرده و شرط مرزي متناوب بر یاخته اعمال شد.
دو نوع تهیجایی امکان پذیر است: تهیجایی Zn و تهیجایی O که در کار حاضر، بر روي تهیجایی Zn در ساختار پرداخته شده است. جهت ساخت ساختار ZnO ناقص، یک Zn از ابریاخته هگزاگونال حذف شده - شامل 15 اتم Zn و 16 اتم - O که مربوط به غلظت 3/1 درصد ناخالصی Zn است. ساختار بهدست آمده بر حسب انرژي و هندسه تحت واهلش قرار گرفت . ساختار نواري ورقه ZnO گاف نواري مستقیم برابر 1/61 eV را نشان میدهد. تهیجایی اتم Zn، انرژي فرمی را به طرف پایین به سمت نوار ظرفیت میکشد و منجر به رفتار نوع p میشود.
خواص اپتیکی
در این قسمت، خواص اپتیکی متفاوتی همچون بخشهاي حقیقی و موهومی تانسور ديالکتریک، ثابت ديالکتریک استاتیک و ضریب جذب دو ترکیب ورقه تک لایه ZnO خالص و تهیجایی Zn محاسبه شده است. محاسبات در تقریب فاز تصادفی - RPA - انجام شده و تابع ديالکتریک براي هر دو حالت قطبش میدان الکتریکی موازي و عمودي بررسی شده است.تابع ديالکتریک، کمیت مختلطی است که پاسخ خطی سیستم به تابش الکترومغناطیسی را توضیح میدهد. بخش موهومی تانسور ديالکتریک با محاسبه المانهاي ماتریس تکانه بین توابع موج اشغال شده و غیر اشغال شده با قوانین انتخاب، به دست میآید.
بخشهاي حقیقی و موهومی تابع ديالکتریک براي هر دو حالت خالص و تهیجایی Zn با در نظر گرفتن گذارهاي بین نواري محاسبه شدهاند. بخش حقیقی تابع ديالکتریک را میتوان با روابط کرامرز-کرونیگ از قسمت موهومی مرتبط با آن بهدست آورد. شکل 1 نمودار تغییرات قسمت حقیقی تابع ديالکتریک الکترونی را براي دو قطبش میدان الکتریکی - موازي و عمود بر صفحه - ZnO تا انرژي 14eV نشان میدهد.جهت عمود تقریباً برابر حالت خالص است ولی در جهت موازي اختلاف قابل توجهی با حالت خالص داشته و تقریبا برابر 26 است .
اختلاف موجود بین دو قطبش و ثابت ديالکتریک بالا براي ورقه تهیجایی نشان میدهد که خواص اپتیکی ورقه ZnO بسیار حساس میباشد و در ابعاد نانو قابل تنظیم است . بخش موهومی محاسبه شده تابع ديالکتریک براي هر دو قطبش در شکل 2 نشان داده شده است. بخش موهومی تابع ديالکتریک همراه با تابع ساختار نواري الکترونی مؤید رفتار نیمرسانایی ورقه گرافنگونه ZnO در حالت خالص و تهیجایی Zn است. با معرفی نقص تهیجایی Zn درون ساختار، قله جذب در بخش موهومی ثابت دي الکتریک به سمت انرژي صفر جابهجا میشود.
