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.