Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U
The effect of radiofrequency magnetron sputtering power on the morphology and optical properties gallium-doped ZnO (GZO) thin films has been investigated. It is found that the sputtering power increasing leads to a decreasing in the size of clusters on the film surface and the thickness of the cryst...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Publishing house "Academperiodika"
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023674 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Ukrainian Journal of Physics |
Institution
Ukrainian Journal of Physics| _version_ | 1863131531212488704 |
|---|---|
| author | Shulyma, S.I. Sukhenko, I.V. Kasyanenko, V.Kh. Karbivskyy, V.L. Kurgan, N.A. Shvachko, N.K. Zaika, V.V. Moskaliuk, V.O. Puzko, O.A. |
| author_facet | Shulyma, S.I. Sukhenko, I.V. Kasyanenko, V.Kh. Karbivskyy, V.L. Kurgan, N.A. Shvachko, N.K. Zaika, V.V. Moskaliuk, V.O. Puzko, O.A. |
| author_sort | Shulyma, S.I. |
| baseUrl_str | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-09-12T10:25:10Z |
| description | The effect of radiofrequency magnetron sputtering power on the morphology and optical properties gallium-doped ZnO (GZO) thin films has been investigated. It is found that the sputtering power increasing leads to a decreasing in the size of clusters on the film surface and the thickness of the crystallite columnar structure. It is shown that the optical bandgap decreasing may be due to the appearance of interstitial defects in the crystal lattice. Despite maintaining, a constant weight ratio of ZnO and Ga in the initial target mixture, an Ga concentration increasing in GZO thin films is observed for higher sputtering powers. The formation mechanism for GZO thin films under increasing magnetron sputtering power is proposed. It is associated with the appearance of Zn and O interstitial inclusions in the ZnO crystal lattice. Density functional theory (DFT) calculations (with Hubbard correction, DFT + U) show that the increased Ga concentration does not cause a narrowing of the optical band gap. Instead, an increase in the Ga content leads to the appearance of additional electronic states in the valence band (–5.0 eV), which is associated with Zn 3d and O 2p hybridization with Ga 4s and Ga 4p states, a Zn 3d and O 2p energy levels position changing due to changes in interatomic distances and bond symmetry, and a redistribution of the electron density around Ga atoms. |
| doi_str_mv | 10.15407/ujpe70.9.609 |
| first_indexed | 2025-10-02T01:19:28Z |
| format | Article |
| id | ujp2-article-2023674 |
| institution | Ukrainian Journal of Physics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2025-10-02T01:19:28Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Publishing house "Academperiodika" |
| record_format | ojs |
| spelling | ujp2-article-20236742025-09-12T10:25:10Z Power-Dependent Evolution of Structure and Optical Properties in Gallium-Doped ZnO Magnetron Sputtering Thin Films: Experimental and DFT + U Exploration Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U Shulyma, S.I. Sukhenko, I.V. Kasyanenko, V.Kh. Karbivskyy, V.L. Kurgan, N.A. Shvachko, N.K. Zaika, V.V. Moskaliuk, V.O. Puzko, O.A. ZnO radiofrequency magnetron sputtering DFT morphology transparency thin films ZnO радiочастотне магнетронне напилення DFT морфологiя прозорiсть тонкi плiвки The effect of radiofrequency magnetron sputtering power on the morphology and optical properties gallium-doped ZnO (GZO) thin films has been investigated. It is found that the sputtering power increasing leads to a decreasing in the size of clusters on the film surface and the thickness of the crystallite columnar structure. It is shown that the optical bandgap decreasing may be due to the appearance of interstitial defects in the crystal lattice. Despite maintaining, a constant weight ratio of ZnO and Ga in the initial target mixture, an Ga concentration increasing in GZO thin films is observed for higher sputtering powers. The formation mechanism for GZO thin films under increasing magnetron sputtering power is proposed. It is associated with the appearance of Zn and O interstitial inclusions in the ZnO crystal lattice. Density functional theory (DFT) calculations (with Hubbard correction, DFT + U) show that the increased Ga concentration does not cause a narrowing of the optical band gap. Instead, an increase in the Ga content leads to the appearance of additional electronic states in the valence band (–5.0 eV), which is associated with Zn 3d and O 2p hybridization with Ga 4s and Ga 4p states, a Zn 3d and O 2p energy levels position changing due to changes in interatomic distances and bond symmetry, and a redistribution of the electron density around Ga atoms. Дослiджено вплив потужностi радiочастотного магнетронного напилення на морфологiю та оптичнi властивостi допованих галiєм тонких плiвок ZnO (GZO). Показано, що зi збiльшенням потужностi напилення зменшуються розмiри кластерiв на поверхнi плiвки та товщина стовпчастої структури кристалiтiв. Встановлено, що зменшення ширини оптичної забороненої зони може бути пов’язане з появою мiжвузлових дефектiв у кристалiчнiй ґратцi. Спостерiгалося збiльшення концентрацiї Ga в плiвках GZO за сталого вагового спiввiдношення вихiдних сумiшей ZnO та Ga при зростаннi потужностi напилення. Запропоновано механiзм формування тонких плiвок GZO при збiльшеннi потужностi магнетронного напилення, який пов’язаний з появою мiжвузлових включень Zn i O в кристалiчнiй ґратцi ZnO. DFT-розрахунки (з поправкою Хаббарда, DFT + U) показали, що пiдвищена концентрацiя Ga не спричиняє звуження оптичної забороненої зони. Натомiсть, збiльшення вмiсту Ga приводить до появи додаткових електронних станiв у валентнiй зонi (–5.0 еВ), що пов’язано з гiбридизацiєю Zn 3d i O 2p з 4s- та 4p-станами Ga, змiною положення енергетичних рiвнiв Zn 3d та O 2p внаслiдок змiни мiжатомних вiдстаней та симетрiї зв’язкiв i перерозподiлом електронної густини навколо атомiв Ga. Publishing house "Academperiodika" 2025-09-12 Article Article Original Research Article (peer-reviewed) Оригінальна дослідницька стаття (з незалежним рецензуванням) application/pdf application/pdf https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023674 10.15407/ujpe70.9.609 Ukrainian Journal of Physics; Vol. 70 No. 9 (2025); 609 Український фізичний журнал; Том 70 № 9 (2025); 609 2071-0194 2071-0186 10.15407/ujpe70.9 en uk https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023674/3354 https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023674/3355 Copyright (c) 2025 Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, National Academy of Sciences of Ukraine |
| spellingShingle | ZnO радiочастотне магнетронне напилення DFT морфологiя прозорiсть тонкi плiвки Shulyma, S.I. Sukhenko, I.V. Kasyanenko, V.Kh. Karbivskyy, V.L. Kurgan, N.A. Shvachko, N.K. Zaika, V.V. Moskaliuk, V.O. Puzko, O.A. Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title | Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title_alt | Power-Dependent Evolution of Structure and Optical Properties in Gallium-Doped ZnO Magnetron Sputtering Thin Films: Experimental and DFT + U Exploration |
| title_full | Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title_fullStr | Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title_full_unstemmed | Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title_short | Еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок Ga-легованого ZnO, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання DFT + U |
| title_sort | еволюція структури та оптичних властивостей тонких плівок ga-легованого zno, отриманих методом магнетронного напилення з різною потужністю: експеримент та моделювання dft + u |
| topic | ZnO радiочастотне магнетронне напилення DFT морфологiя прозорiсть тонкi плiвки |
| topic_facet | ZnO radiofrequency magnetron sputtering DFT morphology transparency thin films ZnO радiочастотне магнетронне напилення DFT морфологiя прозорiсть тонкi плiвки |
| url | https://ujp.bitp.kiev.ua/index.php/ujp/article/view/2023674 |
| work_keys_str_mv | AT shulymasi powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT sukhenkoiv powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT kasyanenkovkh powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT karbivskyyvl powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT kurganna powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT shvachkonk powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT zaikavv powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT moskaliukvo powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT puzkooa powerdependentevolutionofstructureandopticalpropertiesingalliumdopedznomagnetronsputteringthinfilmsexperimentalanddftuexploration AT shulymasi evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT sukhenkoiv evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT kasyanenkovkh evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT karbivskyyvl evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT kurganna evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT shvachkonk evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT zaikavv evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT moskaliukvo evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu AT puzkooa evolûcíâstrukturitaoptičnihvlastivostejtonkihplívokgalegovanogoznootrimanihmetodommagnetronnogonapilennâzríznoûpotužnístûeksperimenttamodelûvannâdftu |