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Aug 13, 2023

Regolazione del band gap e del fattore di perdita dielettrica mediante drogaggio con Mn di Zn1

Scientific Reports volume 13,

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8646 (2023) Citare questo articolo

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Questo studio ha esplorato le proprietà strutturali, ottiche e dielettriche delle nanoparticelle di ZnO puro e drogato con Mn+2 (Zn1−xMnxO) con x ≥ 20%, sintetizzate mediante il metodo di co-precipitazione seguito da ricottura a 4500C. Sono state condotte diverse tecniche di caratterizzazione per caratterizzare le nanoparticelle così preparate. L'analisi di diffrazione di raggi X del puro e del drogato con Mn+2 ha presentato una struttura esagonale della wurtzite e una dimensione dei cristalliti ridotta con l'aumento della concentrazione di drogante. L'analisi morfologica al SEM ha rivelato nanoparticelle sferiche finemente disperse con dimensioni delle particelle di 40-50 nm. L'analisi compositiva di EDX ha confermato l'incorporazione di ioni Mn+2 nella struttura ZnO. I risultati della spettroscopia UV hanno mostrato che la modifica della concentrazione di drogaggio influisce sul band gap e si osserva uno spostamento verso il rosso quando la concentrazione di drogaggio aumenta. Il gap di banda cambia da 3,3 a 2,75 eV. Le misurazioni dielettriche hanno mostrato una diminuzione della permettività relativa, del fattore di perdita dielettrica e della conduttività CA aumentando la concentrazione di Mn.

Tra gli ossidi metallici, l'ossido di zinco è sempre stato importante per i ricercatori poiché è stato utilizzato in passato in vari prodotti ceramici e farmaceutici1. Recentemente è tornato sotto i riflettori perché le modifiche nelle proprietà fisiche dei materiali hanno trovato notevoli applicazioni2. Nel campo dell'optoelettronica e della fotonica, la manipolazione del gap di banda è la chiave di volta per molti dispositivi pratici3. A causa delle diverse proprietà che possiede, lo ZnO è riportato in letteratura nella fabbricazione di trasduttori piezoelettrici, guide d'onda ottiche4, ossidi conduttivi trasparenti, sensori chimici e di gas5, dispositivi funzionali allo spin ed emettitori di luce UV6. L'ossido di zinco con un ampio intervallo di banda di 3,37 eV, quando drogato ha un grande potenziale per una varietà di applicazioni tra cui sensori fotografici, fotodiodi, laser, celle solari e LED a temperatura ambiente rispetto al GaAs7. È stato segnalato che i nanofili di ZnO nelle celle solari ne migliorano l'efficienza4. Lo ZnO drogato con metalli di transizione con una banda proibita diretta nella gamma visibile lo rende attraente come materiale fotosensibile e assorbente la luce8.VD Mote et al. ha riferito che lo ZnO drogato con Mn ha guadagnato di nuovo un certo interesse a causa del drogaggio che gli conferisce la sua natura di semiconduttore magnetico diluito e lo rende utile per la spintronica. È possibile ottenere un basso consumo energetico e un'elevata efficienza a temperatura ambiente grazie all'elevata energia di legame degli eccitoni pari a 60 meV8. L'ossido di zinco viene impiegato come strato tampone, ossido conduttore trasparente e come strato intermedio in vari dispositivi, quindi, adattando il gap di banda con il drogaggio si apre la strada al fotovoltaico a base di ossido di metallo che è conveniente rispetto ai dispositivi a base di silicio. Le celle solari multigiunzione possono essere create con diverse quantità di drogaggio in modo da assorbire la massima gamma di lunghezze d'onda nella luce visibile. È stato riportato che ZnO viene utilizzato in combinazione con TiO2, dove ZnO ha una migliore conduttività e TiO2 contribuisce a ridurre il tasso di ricombinazione grazie al minor numero di stati difettosi9.

Shakeel Khan et al. riportato sulle proprietà dielettriche di ZnO drogato con Mn; queste proprietà cambiano al variare della temperatura e del tipo di materiale, così come cambia la concentrazione del drogante, cambiano anche queste proprietà. I risultati incoraggiano l'uso di ZnO drogato con Mn in dispositivi che funzionano ad alte frequenze10. Dinesha et al. hanno anche riferito sul comportamento strutturale e dielettrico di ZnO drogato con Fe e hanno attribuito l'aumento della conduttività alternata sulla base dell'aumento del meccanismo di salto11. Essi suggeriscono che lo studio sul comportamento dielettrico di ZnO drogato con Mn è molto utile. Nella moderna tecnologia dei semiconduttori è importante accelerare il trasporto degli elettroni e ridurre le perdite. Le DSSC o celle solari sensibilizzate con coloranti sono una classe di fotocellule eccitoniche efficienti e molto stabili per la generazione di energia12. L'idea di base è quella di combinare nanoparticelle di ZnO e nanofili di ZnO per creare un fotoanodo che fornisca un'ampia superficie per l'assorbimento e migliori il trasporto di elettroni che può essere ulteriormente migliorato dal doping con Mn13. Fabbiyola et al. hanno riferito che il confronto tra i raggi ionici di Mn+2 e Zn+2 rivela che sono abbastanza simili e quindi producono una buona struttura cristallina di ZnO drogato con Mn ad alta solubilità rispetto ad altri metalli di transizione14.