Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆

Abstract

Методом функционала электронной плотности исследовано влияние примеси атомов кадмия на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны фуллереноподобного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ с sp²-связями с последующим распространением результатов на твердотельные структуры для изучения влияния имплантации кадмия в матрицу ZnО на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO. Показано, что замещение атомов Zn на атомы Cd в кластере приводит к уменьшению стабильности кластера и монотонному уменьшению энергетической щели с ростом процентного содержания Cd. Достоверность полученных данных подтверждается хорошим совпадением расчетных характеристик с экспериментом: рассчитанная энергия запрещенной зоны (2,827 эВ) для кластера Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (aт.) Cd) очень близка к экспериментальной величине запрещенной зоны (2,87 эВ) для пленки Zn0.94Cd0.06O, выращенной магнетронным напылением.В рамках методу функціоналу електронної густини досліждено вплив домішки атомів кадмію на стабільність, електронну структуру та ширину енергетичної щілини фулереноподібного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ з sp²-зв’язками з подальшим розповсюдженням результатів на твердотільні структури для вивчення впливу імплантації кадмію в матрицю ZnО на електронну густину і ширину забороненої зони потрійних сплавів ZnCdO. Показано, що заміщення атомів Zn на атоми Cd в кластері приводить до зменшення стабільності кластера і монотонного зменшення енергетичної щілини з ростом процентного вмісту Cd. Отриманий результат підтверджується добрим співпадінням розрахованих характеристик з експериментом: розрахована енергія забороненої зони (2,827 eВ) для кластера Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (aт.) Cd) дуже близька до експериментального значення забороненої зони (2,87 еВ) для плівки Zn0.94Cd0.06O, вирощеної магнетронним н апиленням.The structural, cohesive, and electronic properties of a fullerene-like Znn-xCdxOn (n = 36) clusters have been investigated within the framework of the electron density hybride functional method (B3LYP) with a set of 3-21G(d) split valence basis functions. These clusters are used as a model in an investigation of the change in the band-gap width in the case of the substitution of Zn atoms by Cd atoms in the ZnO matrix in ZnCdO ternary structures. The presented investigations showed that a substitution of Zn atom to Cd (5,5, 11, 16,7, 22 и 33% (at.) Cd) leads to reduction of cluster stability and monotonous decrease of energy gap (0,145, 0,259, 0,354, 0,436, 0,586 eV accordingly). It was revealed that the calculated band-gap energy (2,827 eV) for cluster Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (at.) Cd) is very close to the experimental value of the band-gap (2,87 eV) for films Zn0.94Cd0.06O grown by rf magnetron sputtering technique.