Using special quasirandom structures (SQS) and density functional theory (DFT) to unveil the structural and electronic properties of ZnO doped with Ag

Abstract

O óxidodezinco(ZnO) tem se destacado como um candidato ideal para aplicações optoeletrônicas devido ao seu amplo gap de energia (3,3 eV), alta energia de ligação do éxciton e propriedades versáteis, incluindo variações na condutividade, piezoeletricidade e transparência óptica. No entanto, para integrar completamente o ZnO em dispositivos de próxima geração, é necessário obter um material do tipo p compatível. Uma rota promissora é a dopagem do ZnO comátomos comoaprata (Ag), porém isso tem sido desafiador, uma vez que esses sistemas não são estáveis e, por vezes, apresentam comportamento do tipo n. Para compreender a natureza desse comportamento, realizamos cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT), utilizando o pacote Quantum ESPRESSO (QE), com o objetivo de estudar as propriedades estruturais e optoeletrônicas do ZnO dopado com Ag. Utilizamos pseudopotenciais do tipo norma conservada (NC) para descrever as funções de onda e densidades de carga. Calculamos a densidade de estados (DOS) e a estrutura de bandas utilizando o funcional de troca e correlação na aproximação do gradiente generalizado (GGA), com a parametrização de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Para sistemas não dopados, realizamos cálculos para células puras de ZnO contendo 4, 32, 72 e 108 átomos. Com base nesses resultados, optamos por prosseguir com a dopagem de Ag na célula de 72 átomos. Para a célula com 4 átomos, encontramos um gap de energia de 0,71 eV, onde o topo da banda de valência é caracterizado pelos orbitais p do oxigênio (O), e o fundo da banda de condução possui caráter Zn-s. Para a supercélula de 72 átomos, inicialmente garantimos que o sistema represente uma configuração física realista por meio do método de Estruturas Quase-Aleatórias Especiais (SQS). Em seguida, avaliamos como a dopagem com Ag afeta as propriedades eletrônicas e ópticas do sistema. Apresentamos resultados para oito diferentes concentrações de dopagem: 1%, 3%, 4%, 5%, 7%, 8%, 10% e 11%. As estruturas dopadas foram geradas de três maneiras distintas: substituição aleatória de átomos de Zn por Ag na supercélula, abordagem SQS-Build e método SQS. No primeiro caso, observamos a formação de aglomerados de Ag na estrutura, e a estrutura de bandas indica comportamento metálico. Utilizando o método SQS, observamos que o sistema permanece semicondutor, passando posteriormente por uma mudança significativa no gap de energia, tendendo a um comportamento metálico. Por fim, para validar nossos resultados, realizamos comparações com dados experimentais. Observamos que o método SQS fornece uma boa representação do arranjo atômico, o gap de energia apresenta concordância qualitativa com a literatura, e o comportamento do sistema dopado está de acordo com resultados experimentais.