Farklı oranlarda bor ile katkılanan ZnO kristallerinin yapısal, elektronik ve optiksel özelliklerinin teorik incelenmesi
Theoretical investigation of the structural, electronic and optical properties of ZnO crystals doped with boron at different ratio
Yazar: ZEHRA KANAK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEYSEL ÇELİK
Siirt Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Bor = Boron ; Katkılama yöntemleri = Doping method ; Yoğunluk fonksiyonu teorisi = Density function theory ; Çinko oksit = Zinc oxide

Özet:
Bu çalışmada ZnO kristalinin, bor ile katkılanmasının yapısal, elektronik ve optiksel özellikleri nasıl değiştirdiği, yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) tabanlı hesaplar yapılarak araştırılmıştır. Standart DFT yüksek korelasyona sahip d elektronlarını tam olarak tanımlayamamaktadır. Bu durumu nispeten düzeltebilmek için hesaplamalarda DFT+U metodu kullanıldı. Zn 3d elektronlarının valans bandının altında yoğunlukta bulunduğu enerji seviyelerinin yeri ZnO için belirleyici özelliklerdendir. Standart DFT ile yapılan hesaplamalarda bu enerji seviyelerinin yeri yanlış hesaplanmaktadır. DFT+U metodu ile bu durum düzeltilebilmektedir. DFT+U metodunda U değeri 3d elektronları için 7.5 eV olarak belirlendiğinde deneysel veriler ile daha uyumlu sonuçlar elde edilebildiği görülmüştür. Bu sonuç daha önce yapılmış çalışmalar ile uyumludur. Bu çalışmadaki hesaplamaların tümünde bu yöntem kullanılmıştır. Bu çalışmada ZnO kristali, bor atomu ile %2.78, %5.56 ve %8.34 oranında katkılanmıştır. Yapılan optimizasyon hesaplarında tüm katkılama oranlarında benzer olarak bor atomunun, çevresinde yerel bozulmalara neden olduğu tespit edilmiştir. Bu yerel bozulmalar kristalin genel yapısını bozmamaktadır.  Örgü vektörlerinde yaklaşık 0.1 Å kısalma olurken aralarındaki açı değişmemektedir. Bor atomları kristal yapı içerisinde kümelenme eğiliminde değildir. Üç farklı katkılama oranında da valans bant maksimumu ve iletim bandı minimumunun aralığı saf durumdakine göre kayda değer değişmemektedir. Saf durum ve katkılama durumlarında bu aralığın yaklaşık değeri 1.8 eV'tur. Kristal içerisinde katkılanan bor atomu çinko atomuyla yer değiştirmeyi tercih etmektedir. Bu yer değişimi ZnO kristali içerisinde elektron fazlalığının oluşmasına neden olmaktadır. Fazla elektronlar iletim bandı minimumunun alt seviyelerini doldurduğu için fermi enerji seviyesi de burada oluşmaktadır. Kristal içerisindeki bor miktarı arttıkça fermi enerji seviyesi de iletim bandı minimumundan başlayarak daha yüksek enerji seviyelerine yükselmektedir. Katkılama oranlarından %2.78 ve %5.56 oranlarının elektronik yapıları birbirine benzer iken %8.34 oranında iletim bandı içerisindeki fermi enerji seviyesinin üzerinde farklı bir boş enerji seviyesi oluşmaktadır. Bu durum katkılama oranının kritik seviyeleri olduğunu göstermektedir. Bu etki optik özelliklerde de görülmektedir. Optik özellikler bakımından incelendiğinde, absorbsiyon-eneji grafikleri %2.78 ve %5.56 katkılama oranlarında optik bant aralığının genişlediğini göstermektedir. Ancak katkılama oranı %8,34'e çıkarıldığında optik bant aralığı daralmaktadır. Buna göre %2.78 ve %5.56 katkılama oranında maviye kayma gözlenirken %8.34 katkılama oranında kırmızıya kayma gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, how the doping of ZnO crystal with boron changes the structural, electronic and optical properties was investigated by using density functional theory (DFT) based calculations. Standard DFT cannot fully identify highly correlated d electrons. In order to relatively correct this situation, the DFT+U method was used in the calculations. The location of the energy levels where Zn 3d electrons are concentrated below the valence band is one of the defining features for ZnO. In calculations using standard DFT, the location of these energy levels is calculated incorrectly. This situation can be corrected with the DFT+U method. When the U value was determined as 7.5 eV for 3d electrons in the DFT+U method, it was observed that more compatible results with the experimental data could be obtained. This result is consistent with previous studies. This method was used in all of the calculations in this study. In this study, ZnO crystal was doped with boron atom at a rate of 2.78%, 5.56% and 8.34%. In the optimization calculations, it has been determined that the boron atom causes local distortions around the same in all doping ratios. These local disturbances do not disturb the general structure of the crystal. While the lattice vectors shorten by about 0.1 Å, the angle between them does not change. Boron atoms do not tend to cluster in the crystal structure. The spacing of the valence band maximum and conduction band minimum at three different doping ratios does not change significantly compared to the pure case. The approximate value of this gap in the pure and doped cases is 1.8 eV. The doped boron atom in the crystal prefers to be replaced by the zinc atom. This replacement causes an excess of electrons to form in the ZnO crystal. Since the excess electrons fill the lower levels of the conduction band minimum, the Fermi energy level is also formed here. As the amount of boron in the crystal increases, the Fermi energy level starts from the conduction band minimum and rises to higher energy levels. While the electronic structures of the doping ratios of 2.78% and 5.56% are similar to each other, a different empty energy level is formed above the fermi energy level in the conduction band at a rate of 8.34%. This shows that the doping ratio is at critical levels. This effect is also seen in optical properties. When examined in terms of optical properties, the absorption-energy graphs show that the optical band gap widens at doping rates of 2.78% and 5.56%. However, when the doping ratio is increased to 8.34%, the optical band gap narrows. Accordingly, a blue shift was observed at 2.78% and 5.56% doping rates, while a red shift was observed at 8.34% doping rates.