Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження
Zinc oxide (ZnO) is a promising material for transparent current collector layers (TCOs) in optoelectronics due to its wide band gap and high transparency. However, its technologically important properties are determined not by the ideal crystal structure but by the presence of point defects, such a...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/803 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Surface |
Репозитарії
Surface| _version_ | 1869292014109982720 |
|---|---|
| author | Казакова, О. О. Варварін, М. О. Галстян, І. Є. Рудь, М. О. Лень, Є. Г. |
| author_facet | Казакова, О. О. Варварін, М. О. Галстян, І. Є. Рудь, М. О. Лень, Є. Г. |
| author_institution_txt_mv | [] |
| author_sort | Казакова, О. О. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-02-12T08:53:33Z |
| description | Zinc oxide (ZnO) is a promising material for transparent current collector layers (TCOs) in optoelectronics due to its wide band gap and high transparency. However, its technologically important properties are determined not by the ideal crystal structure but by the presence of point defects, such as oxygen vacancies (V_O) and interstitial atoms, for example, of zinc and boron (Zn_i, B_i), the concentration of which is particularly high near surfaces and grain boundaries. The electronic properties of these defects are fundamentally dependent on their charge state and ability to form complexes. Although individual defects have been well studied, but there is a lack of systematic comparative analysis of how different charge states (V_O(0)) versus V_O(2+)) and complex formation (V_O + Zn_i versus V_O + B_i) influence on the band structure (including impurity levels), electronic density of states, and, consequently, on the effective band gap (Eg), which determines the transparency and conductivity of the material. A systematic study of the influence of V_O with different charge states (0, 2+) and their complexes with interstitial Zn_i, B_i atoms on the band structure and orbital-projected density of states was performed using ab initio calculations within the framework of density functional theory (DFT+U) for wurtzite ZnO. The electronic structure was calculated using the PBE functional considering the Hubbard U-correction (U = 7.5 eV) for the correct description of the 3d states of Zn in the Quantum ESPRESSO software package. Simulations were performed on 2×2×2 supercells (31–32 atoms) with complete relaxation of atomic positions for ideal ZnO and for systems contained the defects. The band structure was calculated along the high-symmetry directions, and the PDOS was calculated on a dense 8×8×6 k-point grid using the tetrahedron method. Ideal ZnO was found to be a direct-gap semiconductor with a characteristically low Eg ≈ 1.1 eV in (PBE+U) calculations, where the valence band maximum (VBM) is formed by O 2p states, and the conduction band minimum (CBM) — by Zn 4s states. As shown, the defects radically change this picture. A neutral vacancy acts as a shallow donor, creating a filled defect level localized on Zn atoms near the oxygen vacancy. A charged vacancy, V_O(2+), has the opposite effect: its defect level becomes empty and forms the bottom of the conduction band. The electronic structure and band gap of ZnO are not constants, but are dynamically controlled by the presence of defects, their charge states, and interactions. Depending on the defect state, the band gap can be effectively narrowed, broadened, or even formed by other states. These results have practical implications for the engineering of ZnO film properties, demonstrating how the control of the defect structures (especially near surfaces) allows for the manipulation of the transparency and conductivity of the material. |
| doi_str_mv | 10.15407/Surface.2025.17.148 |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:52Z |
| format | Article |
| fulltext | |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-803 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-29T01:16:23Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-8032026-02-12T08:53:33Z Effect of oxygen vacancies and interstitial zinc and boron atoms on the electronic structure and properties of ZnO: DFT investigation Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження Казакова, О. О. Варварін, М. О. Галстян, І. Є. Рудь, М. О. Лень, Є. Г. zinc oxide oxygen vacancy interstitial atoms electronic structure DFT calculation оксид цинку киснева вакансія міжвузлові атоми електронна структура DFT розрахунок Zinc oxide (ZnO) is a promising material for transparent current collector layers (TCOs) in optoelectronics due to its wide band gap and high transparency. However, its technologically important properties are determined not by the ideal crystal structure but by the presence of point defects, such as oxygen vacancies (V_O) and interstitial atoms, for example, of zinc and boron (Zn_i, B_i), the concentration of which is particularly high near surfaces and grain boundaries. The electronic properties of these defects are fundamentally dependent on their charge state and ability to form complexes. Although individual defects have been well studied, but there is a lack of systematic comparative analysis of how different charge states (V_O(0)) versus V_O(2+)) and complex formation (V_O + Zn_i versus V_O + B_i) influence on the band structure (including impurity levels), electronic density of states, and, consequently, on the effective band gap (Eg), which determines the transparency and conductivity of the material. A systematic study of the influence of V_O with different charge states (0, 2+) and their complexes with interstitial Zn_i, B_i atoms on the band structure and orbital-projected density of states was performed using ab initio calculations within the framework of density functional theory (DFT+U) for wurtzite ZnO. The electronic structure was calculated using the PBE functional considering the Hubbard U-correction (U = 7.5 eV) for the correct description of the 3d states of Zn in the Quantum ESPRESSO software package. Simulations were performed on 2×2×2 supercells (31–32 atoms) with complete relaxation of atomic positions for ideal ZnO and for systems contained the defects. The band structure was calculated along the high-symmetry directions, and the PDOS was calculated on a dense 8×8×6 k-point grid using the tetrahedron method. Ideal ZnO was found to be a direct-gap semiconductor with a characteristically low Eg ≈ 1.1 eV in (PBE+U) calculations, where the valence band maximum (VBM) is formed by O 2p states, and the conduction band minimum (CBM) — by Zn 4s states. As shown, the defects radically change this picture. A neutral vacancy acts as a shallow donor, creating a filled defect level localized on Zn atoms near the oxygen vacancy. A charged vacancy, V_O(2+), has the opposite effect: its defect level becomes empty and forms the bottom of the conduction band. The electronic structure and band gap of ZnO are not constants, but are dynamically controlled by the presence of defects, their charge states, and interactions. Depending on the defect state, the band gap can be effectively narrowed, broadened, or even formed by other states. These results have practical implications for the engineering of ZnO film properties, demonstrating how the control of the defect structures (especially near surfaces) allows for the manipulation of the transparency and conductivity of the material. Оксид цинку (ZnO) є перспективним матеріалом для прозорих струмозбірних шарів (TCO) в оптоелектроніці завдяки своїй широкій забороненій зоні та високій прозорості. Однак його важливі для технології властивості визначаються не станом ідеального кристалу, а наявністю точкових дефектів, таких як кисневі вакансії (V_O) та міжвузлові атоми, наприклад, цинку і бору (Zn_i, B_i), концентрація яких є особливо високою поблизу поверхонь та меж зерен. Електронні властивості цих дефектів кардинально залежать від їхнього зарядового стану та здатності формувати комплекси. Хоча окремі дефекти добре вивчені, бракує систематичного порівняльного аналізу того, як різні зарядові стани (V_O (0)) проти V_O (2+)) та формування комплексів (V_O + Zn_i проти V_O + B_i) впливають на зонну структуру (включно з домішковими рівнями), густину електронних станів та, як наслідок, на ефективну ширину забороненої зони (Eg), що визначає прозорість та провідність матеріалу. За допомогою першопринципних розрахунків в рамках теорії функціоналу густини (DFT+U) було проведено систематичне дослідження впливу V_O у різних зарядових станах (0, 2+) та їх комплексів з міжвузловими атомами Zn_i, B_i на електронну зонну структуру, орбітально-проектовану густину станів (PDOS) та ефективну ширину забороненої зони вюрцитного ZnO. Електронна структура розраховувалася за допомогою функціоналу PBE з урахуванням U-поправки Хаббарда (U = 7,5 еВ) для коректного опису 3d-станів Zn у програмному пакеті Quantum ESPRESSO. Моделювання проводилося на суперкомірках 2×2×2 (31 – 32 атоми) для ідеального ZnO та систем з дефектами з повною релаксацією атомних позицій. Зонна структура розраховувалася вздовж напрямів високої симетрії, а PDOS – на щільній сітці k-точок 8×8×6 з використанням методу тетраедрів. Встановлено, що ідеальний ZnO є прямозонним напівпровідником з характерно заниженою у (PBE+U) розрахунках Eg ≈ 1.1 еВ, де верхній рівень валентної зони (VBM) сформована O2p, а дно зони провідності (CBM) — Zn4s станами. Показано, що дефекти кардинально змінюють цю картину. Нейтральна вакансія діє як мілкий донор, створюючи заповнений дефектний рівень, локалізований на атомах Zn біля кисневої вакансії. Заряджена вакансія V_O (2+) має протилежний вплив: її дефектний рівень стає порожнім і утворює дно зони провідності. Електронна структура та ширина забороненої зони ZnO не є незмінними, а динамічно контролюються наявністю дефектів, їхніми зарядовими станами та взаємодією. Залежно від дефектного стану, заборонена зона може бути ефективно звужена, розширена, або взагалі утворена іншими станами. Ці результати мають практичне значення для інженерії властивостей плівок ZnO, демонструючи, як контроль над дефектною структурою (особливо поблизу поверхонь) дозволяє керувати прозорістю та провідністю матеріалу. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2025-11-26 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/803 10.15407/Surface.2025.17.148 Surface; No. 17(32) (2025): Surface; 148–156 Поверхность; № 17(32) (2025): Поверхня; 148–156 Поверхня; № 17(32) (2025): Поверхня; 148–156 3154-8091 3154-8083 10.15407/Surface.2025.17 uk https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/803/804 Авторське право (c) 2025 О. О. Казакова, М. О. Варварін, І. Є. Галстян, М. О. Рудь, Є. Г. Лень |
| spellingShingle | оксид цинку киснева вакансія міжвузлові атоми електронна структура DFT розрахунок Казакова, О. О. Варварін, М. О. Галстян, І. Є. Рудь, М. О. Лень, Є. Г. Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title | Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title_alt | Effect of oxygen vacancies and interstitial zinc and boron atoms on the electronic structure and properties of ZnO: DFT investigation |
| title_full | Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title_fullStr | Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title_full_unstemmed | Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title_short | Вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості ZnO: DFT дослідження |
| title_sort | вплив кисневих вакансій та міжвузлових атомів цинку і бору на електронну структуру та властивості zno: dft дослідження |
| topic | оксид цинку киснева вакансія міжвузлові атоми електронна структура DFT розрахунок |
| topic_facet | zinc oxide oxygen vacancy interstitial atoms electronic structure DFT calculation оксид цинку киснева вакансія міжвузлові атоми електронна структура DFT розрахунок |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/803 |
| work_keys_str_mv | AT kazakovaoo effectofoxygenvacanciesandinterstitialzincandboronatomsontheelectronicstructureandpropertiesofznodftinvestigation AT varvarínmo effectofoxygenvacanciesandinterstitialzincandboronatomsontheelectronicstructureandpropertiesofznodftinvestigation AT galstâníê effectofoxygenvacanciesandinterstitialzincandboronatomsontheelectronicstructureandpropertiesofznodftinvestigation AT rudʹmo effectofoxygenvacanciesandinterstitialzincandboronatomsontheelectronicstructureandpropertiesofznodftinvestigation AT lenʹêg effectofoxygenvacanciesandinterstitialzincandboronatomsontheelectronicstructureandpropertiesofznodftinvestigation AT kazakovaoo vplivkisnevihvakansíjtamížvuzlovihatomívcinkuíborunaelektronnustrukturutavlastivostíznodftdoslídžennâ AT varvarínmo vplivkisnevihvakansíjtamížvuzlovihatomívcinkuíborunaelektronnustrukturutavlastivostíznodftdoslídžennâ AT galstâníê vplivkisnevihvakansíjtamížvuzlovihatomívcinkuíborunaelektronnustrukturutavlastivostíznodftdoslídžennâ AT rudʹmo vplivkisnevihvakansíjtamížvuzlovihatomívcinkuíborunaelektronnustrukturutavlastivostíznodftdoslídžennâ AT lenʹêg vplivkisnevihvakansíjtamížvuzlovihatomívcinkuíborunaelektronnustrukturutavlastivostíznodftdoslídžennâ |