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Jun 03, 2023

Ajuste do gap e do fator de perda dielétrica por dopagem com Mn de Zn1

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8646 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este estudo explorou as propriedades estruturais, ópticas e dielétricas de nanopartículas de ZnO (Zn1−xMnxO) puras e dopadas com Mn+2 com x ≥ 20%, sintetizadas pelo método de co-precipitação seguido de recozimento a 4500C. Diferentes técnicas de caracterização foram conduzidas para caracterizar as nanopartículas preparadas. A análise por difração de raios X do puro e dopado com Mn+2 apresentou uma estrutura wurtzita hexagonal e uma diminuição do tamanho do cristalito com o aumento da concentração de dopagem. A análise morfológica de SEM revelou nanopartículas esféricas finamente dispersas com tamanho de partícula de 40–50 nm. A análise composicional de EDX confirmou a incorporação de íons Mn+2 na estrutura de ZnO. Os resultados da espectroscopia de UV mostraram que a alteração da concentração de dopagem afeta o gap, e um desvio para o vermelho é observado conforme a concentração de dopagem aumenta. O gap muda de 3,3 para 2,75 eV. Medições dielétricas exibiram diminuição na permissividade relativa, fator de perda dielétrica e condutividade CA pelo aumento da concentração de Mn.

Entre os óxidos metálicos, o óxido de zinco sempre foi importante para os pesquisadores, pois foi empregado no passado em várias cerâmicas e produtos farmacêuticos1. Recentemente, está novamente no centro das atenções porque as modificações nas propriedades físicas do material encontraram aplicações notáveis2. No campo da optoeletrônica e fotônica, manipular o intervalo de banda é a chave para muitos dispositivos práticos3. Devido às diversas propriedades que o ZnO possui, é relatado na literatura na fabricação de transdutores piezoelétricos, guias de onda ópticos4, óxidos condutores transparentes, sensores químicos e de gás5, dispositivos funcionais de spin e emissores de luz ultravioleta6. Óxido de Zinco com banda larga larga de 3,37 eV, quando dopado tem grande potencial para uma variedade de aplicações incluindo fotosensores, fotodiodos, lasers, células solares e LEDs em temperatura ambiente em comparação com GaAs7. Nanofios de ZnO foram relatados em células solares para aumentar a eficiência4. O ZnO dopado com metal de transição com um intervalo de banda direto na faixa visível o torna atraente como fotossensível e um material absorvedor de luz8.VD Mote et al. relataram que o ZnO dopado com Mn ganhou certo interesse novamente por causa da dopagem, que lhe confere sua natureza semicondutora magnética diluída e o torna útil para a spintrônica. Baixo consumo de energia e alta eficiência podem ser alcançados à temperatura ambiente devido à grande energia de ligação do exciton de 60 meV8. O óxido de zinco é empregado como camada tampão, óxido condutor transparente e como camada intermediária em vários dispositivos, adaptando o intervalo de banda com dopagem abre caminho para fotovoltaicos à base de óxido de metal, que são econômicos em comparação com dispositivos à base de silício. Células solares de junção múltipla podem ser criadas com diferentes quantidades de dopagem para absorver a faixa máxima de comprimentos de onda na luz visível. ZnO tem sido relatado sendo usado em combinação com TiO2, com ZnO tendo melhor condutividade e TiO2contribuindo para diminuir a taxa de recombinação devido a seus menos estados de defeitos9.

Shakeel khan et ai. relataram as propriedades dielétricas de ZnO dopado com Mn; essas propriedades mudam conforme a temperatura e o tipo de material mudam, assim como a concentração de dopagem muda, o mesmo acontece com essas propriedades. Os resultados encorajam o uso de ZnO dopado com Mn em dispositivos operando em altas frequências10. Dinesha et al. também relatou o comportamento estrutural e dielétrico do ZnO dopado com Fe e atribuiu o aumento na condutividade CA com base no aumento do mecanismo de hopping11. Eles sugerem que o estudo do comportamento dielétrico do ZnO dopado com Mn é muito útil. Na moderna tecnologia de semicondutores, é importante acelerar o transporte de elétrons e reduzir as perdas. As DSSCs ou células solares sensibilizadas por corantes são uma classe de fotocélulas excitônicas eficientes e muito estáveis ​​para geração de energia12. A ideia básica é combinar nanopartículas de ZnO e nanofios de ZnO para fazer um fotoânodo que forneça uma grande área de superfície para absorção, além de aumentar o transporte de elétrons, que pode ser melhorado pela dopagem de Mn13. Fabbiyola et ai. relataram que a comparação entre os raios iônicos de Mn+2 e Zn+2 revela que eles são bastante semelhantes e, portanto, produzem uma boa estrutura cristalina de ZnO dopada com Mn de alta solubilidade em comparação com outros metais de transição14.