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Jun 03, 2023

Zn1의 Mn 도핑에 의한 밴드 갭 및 유전 손실 계수 조정

과학 보고서 13권,

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8646(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 공침법과 4500C에서 어닐링을 통해 합성된 x ≥ 20%의 순수 및 Mn+2 도핑 ZnO 나노입자(Zn1−xMnxO)의 구조적, 광학적, 유전적 특성을 조사했습니다. 준비된 나노입자를 특성화하기 위해 다양한 특성화 기술이 수행되었습니다. 순수 및 Mn+2 도핑된 물질의 X선 회절 분석에서는 도핑 농도가 증가함에 따라 육각형 우르츠광 구조와 결정 크기가 감소하는 것으로 나타났습니다. SEM의 형태학적 분석을 통해 입자 크기가 40~50 nm인 미세하게 분산된 구형 나노입자가 나타났습니다. EDX의 조성 분석을 통해 ZnO 구조에 Mn+2 이온이 결합되어 있음이 확인되었습니다. UV 분광분석 결과, 도핑 농도의 변화가 밴드 갭에 영향을 미치며, 도핑 농도가 증가함에 따라 적색 편이가 관찰되는 것으로 나타났다. 밴드 갭은 3.3eV에서 2.75eV로 변경됩니다. 유전 측정에서는 Mn 농도가 증가함에 따라 비유전율, 유전 손실 계수 및 AC 전도도가 감소하는 것으로 나타났습니다.

금속 산화물 중에서 산화 아연은 과거 다양한 세라믹 및 의약품에 사용되었기 때문에 연구자들에게 항상 중요했습니다1. 최근에는 재료의 물리적 특성이 변형되면서 놀라운 응용 사례가 발견되면서 다시 주목을 받고 있습니다2. 광전자 공학 및 포토닉스 분야에서 밴드 갭을 조작하는 것은 많은 실제 장치의 핵심입니다3. ZnO는 다양한 특성으로 인해 압전 변환기, 광 도파관4, 투명 전도성 산화물, 화학 및 가스 센서5, 스핀 기능 장치 및 UV 광 방출기6를 제조하는 문헌에 보고되어 있습니다. 3.37eV의 넓은 밴드 갭을 갖는 산화아연은 ​​GaAs7에 비해 실온에서 포토 센서, 포토다이오드, 레이저, 태양 전지 및 LED를 포함한 다양한 응용 분야에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. ZnO 나노와이어는 태양전지에서 효율을 향상시키는 것으로 보고되었습니다4. 가시광선 범위에서 직접 밴드 갭을 갖는 전이 금속 도핑된 ZnO는 감광성 및 광 흡수 재료로서 매력적입니다8.VD Mote et al. Mn 도핑된 ZnO는 희석된 자기 반도체 특성을 제공하고 스핀트로닉스에 유용하게 만드는 도핑으로 인해 다시 관심을 얻었다고 보고했습니다. 60 meV8의 큰 엑시톤 결합 에너지로 인해 실온에서 낮은 에너지 소비와 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 산화아연은 ​​다양한 장치에서 버퍼층, 투명 전도성 산화물 및 중간층으로 사용되므로 도핑으로 밴드 갭을 조정하여 실리콘 기반 장치에 비해 비용 효율적인 금속 산화물 기반 광전지용 방법을 마련합니다. 다중접합 태양전지는 가시광선에서 최대 범위의 파장을 흡수할 수 있도록 다양한 양의 도핑으로 생성될 수 있습니다. ZnO는 TiO2와 함께 사용되는 것으로 보고되었으며, ZnO는 더 나은 전도성을 가지며 TiO2는 결함 상태가 적기 때문에 재결합 속도를 줄이는 데 기여합니다9.

Shakeel khan et al. Mn 도핑된 ZnO의 유전 특성에 대해 보고되었습니다. 이러한 특성은 재료의 온도와 유형이 변함에 따라 변하며, 도핑 농도가 변하면 이러한 특성도 변합니다. 결과는 고주파에서 작동하는 장치에 Mn 도핑된 ZnO의 사용을 권장합니다10. Dineshaet al. 또한 Fe 도핑된 ZnO의 구조적 및 유전적 거동에 대해 보고했으며 증가하는 호핑 메커니즘에 기초하여 AC 전도도의 증가에 기인합니다. 그들은 Mn이 도핑된 ZnO의 유전 거동에 대한 연구가 매우 유용하다고 제안합니다. 현대 반도체 기술에서는 전자 이동 속도를 높이고 손실을 줄이는 것이 중요합니다. DSSC 또는 염료 감응형 태양전지는 에너지 생성에 효율적이고 매우 안정적인 엑시톤 광전지의 한 종류입니다12. 기본 아이디어는 ZnO 나노입자와 ZnO 나노와이어를 결합하여 흡수를 위한 큰 표면적을 제공하고 Mn 도핑으로 더욱 향상될 수 있는 전자 수송을 향상시키는 광양극을 만드는 것입니다. Fabbiyolaet al. Mn+2와 Zn+2의 이온 반경을 비교하면 이들이 매우 유사하여 다른 전이 금속과 비교하여 우수한 용해도 Mn 도핑 ZnO 결정 구조를 생성한다고 보고했습니다.