Repositorio
Institucional

Cisternas, Vicente

Optical Absorption Properties of Sn- and Pd-doped ZnO: Comparative Analysis of Substitutional Metallic Impurities

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In this article, we present density functional theory (DFT) calculations for Zn(1-x)MxO, where M represents one of the following substitutional metallic impurities: Ga, Cd, Cu, Pd, Ag, In, or Sn. Our study is based on the wurtzite structure of pristine ZnO. We employ the Quantum Espresso package, using a fully unconstrained implementation of the generalized gradient approximation (GGA) with an additional U correction for exchange and correlation effects. We analyze the density of states, energy gaps, and absorption spectra for these doped systems, considering the limitations of a finite-size cell approximation. Rather than focusing on precise numerical values, we highlight the following two key aspects: the location of impurity-induced electronic states and the overall trends in optical properties across the eight systems, including pristine ZnO. Our results indicate that certain dopants introduce electronic levels within the band gap, which enhance optical absorption in the visible, near-infrared, and near-ultraviolet regions. For instance, Sn-doped ZnO shows a pronounced absorption peak at similar to 2.5 eV, which is in the middle of the visible spectrum. In the case of Ag and Pd impurities, they lead to increased electromagnetic radiation absorption at the near ultra-violet spectrum. This represents a promising performance for efficient solar radiation absorption, both at the Earth's surface and in outer space. Furthermore, Ga- and In-doped ZnO present bandgaps of similar to 0.9 eV, promising an interesting performance in the near infrared region. These findings suggest potential applications in solar energy harvesting and selective sensors.En este artículo, presentamos cálculos de teoría del funcional de la densidad (DFT) para Zn(1-x)MxO, donde M representa una de las siguientes impurezas metálicas sustitucionales: Ga, Cd, Cu, Pd, Ag, In o Sn. Nuestro estudio se basa en la estructura de wurtzita del ZnO puro. Empleamos el paquete Quantum Espresso, utilizando una implementación totalmente no restringida de la aproximación de gradiente generalizado (GGA) con una corrección U adicional para los efectos de intercambio y correlación. Analizamos la densidad de estados, las brechas de energía y los espectros de absorción para estos sistemas dopados, considerando las limitaciones de una aproximación de celda de tamaño finito. En lugar de centrarnos en valores numéricos precisos, destacamos los siguientes dos aspectos clave: la ubicación de los estados electrónicos inducidos por impurezas y las tendencias generales en las propiedades ópticas en los ocho sistemas, incluido el ZnO puro. Nuestros resultados indican que ciertos dopantes introducen niveles electrónicos dentro de la brecha de banda, lo que mejora la absorción óptica en las regiones visible, infrarroja cercana y ultravioleta cercana. Por ejemplo, el ZnO dopado con Sn muestra un pico de absorción pronunciado alrededor de 2,5 eV, en el centro del espectro visible. En el caso de las impurezas de Ag y Pd, estas provocan una mayor absorción de radiación electromagnética en el espectro ultravioleta cercano. Esto representa un rendimiento prometedor para la absorción eficiente de radiación solar, tanto en la superficie terrestre como en el espacio exterior. Además, el ZnO dopado con Ga e In presenta brechas de banda de aproximadamente 0,9 eV, lo que promete un rendimiento interesante en la región del infrarrojo cercano. Estos hallazgos sugieren posibles aplicaciones en la captación de energía solar y en sensores selectivos.

artículo original

DFT calculations

optical absorption properties

electronic properties

10.3390/ma18194613

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Optical Absorption Properties of Sn- and Pd-doped ZnO: Comparative Analysis of Substitutional Metallic Impurities

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Chemistry, Physical

Materials Science, Multidisciplinary

Metallurgy & Metallurgical Engineering

Physics, Applied

Physics, Condensed Matter

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[DI23-0026]

[FRO2395]

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