Estudio de AB-Initio de nanofilms de Zn1-xNixO empleando DFT+U. Influencia del parámetro U en la representación de la estructura electrónica

ZANDALAZINI, C; TIRADO, MONICA; MARIN, OSCAR; ALBANESI, E.; GONZALEZ, VANESSA; FERRON, J.; COMEDI, DAVID

TUCUMAN

Encuentro; 2do. Encuentro Científico de Investigadores de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología de la Universidad Nacional de Tucumán: ECIFACET 2019; 2019

Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologia, Universidad nacional de Tucumán

En este trabajo se sintetizaron nanofilms de Zn1-XNiXO por sol-gel, con el fin de estudiar el efecto que tiene el dopaje con Ni sobre la estructura electrónica del ZnO, implementando para ello cálculos ab initio basados en la teoría de la funcional densidad , incluyendo el término de Hubbard (DFT+U), con la aproximación de ondas planas aumentadas proyectadas (PAW), usando para el potencial de intercambio y correlación la aproximación del gradiente generalizado (GGA) y empleando la aproximación de superceldas para la simulación de estos nanofilms.Se sintetizaron nanofilms de Zn1-XNiXO (x=0, 0.1, 0.2, 0.4) sobre sustratos de silicio cristalino de baja resistividad mediante la técnica de sol-gel/dip-coating. Empleando para ello soluciones etanólicas con Zn+2: Ni+2 en una proporción de 100: 0 (x=0), 98:2 (x=0.02) y 96:4 (x=0.04) en relación atómica. Los precursores de estas soluciones fueron acetato de zinc deshidratado (Zn (C2H3O2)2∙2H2O) y hexahidrato de cloruro de níquel (NiCl2∙6H2O), a las que se les añadió un volumen de 1ml de dietanolamina (C4H11NO2). Los sustratos se recubrieron mediante 4 ciclos con una temperatura de secado entre cada ciclo de 300 ° C y un secado final a 600 ° C con flujo de 125 sccm de Ar y 30 sccm de O2 durante 1 hora. Las muestras se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), espectrometría de fotoelectrones inducidos por rayos X (XPS, ESCALAB 250 system con fuente de radiación Al Kα a 1486.7 eV), y espectrometría de fotoelectrones inducidos por ultravioleta (UPS, con radiación de He II de 40.81 eV).El estudio de propiedades en semiconductores de metales de transición mediante el esquema general de cálculo de la DFT, no describe correctamente las propiedades electrónicas, subestimando el valor de los anchos de banda prohibida o band gap, para corregir esto, en este trabajo se implementó la corrección GGA+U, donde U es el parámetro de Hubbard, este término permite describir la interacción on-site de los electrones fuertemente correlacionados y describir correctamente la energía de los estados 3d, en este caso del Zn y el Ni. Para realizar estos cálculos empleamos la aproximación de superceldas para la simulación de estos nanofilms, definiendo una supercelda de 3x3x3 con 108 átomos que representa la estructura con parámetros mínimos, manteniendo fijo el parámetro experimental conocido ?c?. Usamos la aproximación de ondas planas aumentadas proyectadas (PAW) y para el potencial de intercambio y correlación la aproximación del gradiente generalizado (GGA-PW91) dentro del paquete de cálculo ABINIT, con una energía cinética de corte para la expansión de ondas planas de la función de onda electrónica fue de 330 eV, usamos una malla de puntos k tipo Monkhorst-Pack de 5x5x3.Para encontrar un punto de alineación, mediante XPS se buscaron los picos correspondientes a las bandas 3p del Zn. Se midieron las bandas de la zona de valencia mediante UPS, como referencia experimental para el ajuste de los cálculos teóricos. En los resultados iniciales se obtuvo un corrimiento en entre las bandas teóricas y experimentales, para mejorar esto, se variaron los parámetros relacionados con U de Hubbard o U efectivo (Ueff=U+J).Estudio del parámetro U: Se calculó la densidad de estados en la zona de valencia variando el parámetro de U efectivo:1) Manteniendo fijo Ueff-Ni= 4.0 eV y variando Ueff-Zn con valores de 7.5, 10 y 10.5 eV 2) Manteniendo Ueff-Zn =10.5 y con Ueff-Ni entre 4 y 5.5 eV.Se encontró una gran variación de los resultados experimentales respecto a los teóricos, utilizando los valores de Ueff estándares usados en la literatura.La reducción del Ueff-Zn de 3 eV aumenta aproximadamente 1.4 eV la energía de los orbitales 3d-Zn, y produce cambios menores en los estados con energías entre -6 eV y 0 eV. El aumento del Ueff- Ni de 1.5 eV reduce la energía de estados que están entre -5 y -4 eV, y también en los del borde de valencia.BIBLIOGRAFIAX. Gonze, G. Rignanese, M. VerstraeteI, Z. Kristallogr, 220 (2005) 558. O. Marin,P. Alastuey, E. Tosi, J. Orive, E. Mosquera, G. Zampieri, S. Suarez, D. Comedi, M. Tirado. App. Surf. Sci. 456 (2018) 771. N. Troullier and J.L. Martins, Phys. Rev. B, 43 (1991)1993. P. E. Blöchl, Phys. Rev. B, 50 (1994)17953. J.C. Slater, Phys. Rev. B, 5 (1972) 844. N. Troullier and J.L. Martins, Phys. Rev. B, 43 (1991) 1993.