SUPERVISOR
Hadi Salamati mashhad,Seyed Javad Hashemifar
هادی سلامتی مشهد (استاد راهنما) سید جواد هاشمی فر (استاد مشاور)
STUDENT
Ismaeil Abdolhosseini Sarsari
اسماعیل عبدالحسینی سارسری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1386
TITLE
First-Principles and Experimental Investigation of ZnO Based Diluted Magnetic Semiconductor
In this thesis , ZnO nanoparticles with different cobalt concentration were prepared by a simple and rapid method . This method is based on a short time solid state milling and calcinations of zinc acetate , cobalt acetate , and citric acid powders . The physical properties of the samples were characterized using X-ray diffraction (XRD) , Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) , Fourier Transform Infrared (FTIR) , photoluminescence , and UV-vis . spectroscopy . It was shown that a very low substitution of Co (less than 10 percent of molecular weight) has little effect on the lattice parameters of ZnO and significantly decreases the band gap (Eg ) value of the synthesized ZnO:Co nanoparticles . Calculation based on the XRD data shows that the average crystallite sizes of ZnO particles are nearly 18 nm . Photoluminescence spectroscopy shows that many defects such as interstitial zinc , zinc vacancy , and exciton recombination are responsible for the observed optical properties . Magnetization measurements which were recorded by a superconducting quantum interference device (SQUID) magnetometer determine the paramagnetic behaviour for all samples due to the absence of enough oxygen vacancy . To study the nature of magnetic properties of this system , Density functional theory was employed . DFT can not predict correct band gap in semiconductor due to self interaction error . so for predicting correct band gap and properties related that the many body GW approximation and ASIC approach was used . First single shot GW (G0W0) and self consistent GW (scGW) quasiparticle density of states upon GGA , GGA+U and HSE03 for Co doped zinc oxide are investigated . The wurtzite crystal field split minority 3d-Co states to e and t 2 , which the location of them is in doubt , especially with LDA and GGA calculation . In consideration to new many body scenario (GW) and its reputation to predict E g and d binding energy in wide band semiconductor such as ZnO , ZnS and LiF , we have predicted the position of t 2 to be equal to 1.4-4.3~eV above the conduction band minimum i.e . it is impossible to predict the presence of ferromagnetism in the absence of defects in zinc oxide doped with cobalt . Then , In order to better understand the role of extended defect structures in stabilizing long range magnetic order in this material , the electronic structure of transition metal Co doped ZnO grain boundaries (GBs) was studied . Recent experimental work has shown that grain boundaries and defects associated to them possibly play a fundamental role in the observed ferromagnetism of Co doped ZnO . This observed correlation between the presence of GBs and ferromagnetism will be investigated in this work with the help of ab-initio electronic structure calculations . Identifying qualitative as well as quantitative differences between the electronic structures of Co dopant in the bulk material and at the grain boundary is key to understand this phenomenon . Then , we shall be employing self-interaction corrected density functional theory (DFT) methods incorporated into the SIESTA platform . And at the end , the density functional - full potential computations are performed to study the ring to cage structural crossover in the small (ZnO)n (n=2-16) clusters and its effects on electronic and vibrational thermodynamic behaviour of the system . The origin of this structural crossover , which is found to occurs at n = 10 , is studied by the investigation of the behavior of the Zn-O-Zn bond angle , the Zn-O bond strength , and the number of bonds in the systems . It is found that 12 is the lowest magic number of ZnO clusters at ground state , while finite temperature vibrational excitations enhance the relative stability of the (ZnO) 9 cluster and make it a magic system at temperatures above about 170 K . The obtained electronic structure of ZnO clusters before and after applying the many-body GW corrections evidence a size induced red shift originated from the ring to cage structural crossover in the system . The behaviour of the extremal points of electron density of the clusters along with the extrapolated cluster binding energies at very large sizes may be evidences for existence of a metastable structure for large ZnO nanostructures , different with the bulk ZnO structure . Keywords: ZnO:Co , Many-body GW approximation , Atomic Self Interaction Correction (ASIC) , ZnO Clusters .
در این پایاننامه، نانوذرات اکسیدروی آلاییده به غلظتهای مختلف کبالت، به یک روش ساده و سریع ساخته شدند. این روش مبتنی بر تجزیهی حرارتی استاتهای کبالت و روی در حضور اسیدسیتریک است. نمونههای ساخته شده به این روش به وسیلهی طیف پراش اشعهی ایکس، طیفسنجی مادون قرمز، طیفسنجی فوتولومینسانس، طیفسنجی جذب نوری در ناحیهی فرابنفش-مرئی و ?مغناطیسسنج اسکویید مشخصهیابی شدند. در درصدهای آلایش کمتر از ?? درصد، تغییرات ساختاری، ناچیز و کاهش مقدار گاف ممنوعه، محسوس میباشد. اندازهی متوسط دانهها بر اساس آنالیزهای حاصل از طیف پراش اشعهی ایکس، حدود ?? نانومتر تخمین زده شد. نقایصی از قبیل روی بینجایگاهی، تهیجای روی و بازترکیب اِکسیتونی به وسیله طیف فوتولومینسانس، مشخص شد. رفتار پارامغناطیسی برای همهی نمونهها به وسیلهی اندازهگیری مغناطش، گزارش داده شد. به منظور مطالعهی مغناطش این سیستم، نظریهی تابعی چگالی به کار گرفته شد. این نظریه به علت خطای خودبرهمکنش قادر به پیشبینی درست گاف ممنوعهی نیمرساناها نمیباشد. بنابراین برای پیشبینی درست گاف ممنوعه و خواص مربوط به آن از تقریب بسذرهای GW و تقریب ASIC استفاده شد. چگالی حالتهای شبهذره با استفاده از تک شلیک GW موسوم به G 0 W 0 و GW خودسازگار (scGW) با نقاط شروع مختلف کوهن-شم و تابعی هیبریدی HSE06 مطالعه شد. میدان بلوری ورتسایت، حالتهای اسپین پایین 3d کبالت را به حالتهای e وt 2 میشکند که موقعیت دقیق آنها مخصوصاً با تقریبهای LDA و GGA دقیقاً مشخص نیست. با توجه به وجود سناریوی جدید تقریب بسذرهای GW و اعتبار آن در پیشگویی گاف ممنوعه و انرژی بستگی d نیمرساناهای با گاف عریض مثل ZnO ، ZnS و LiF ، ما نیز با استفاده از این تقریب موقعیت تراز t 2 را با نقاط شروع مختلف، ?/? تا ?/? الکترونولت بالای کمینهی نوار رسانش پیشبینی کردهایم. این بدین معنی است که پیشبینی حضور فاز فرومغناطیسی در اکسیدروی آلاییده به کبالت بدون نقص، حتی در آلایشهای نوع n به اندازهی کافی زیاد، امکانپذیر نمیباشد. سپس، به منظور درک بهتر از نقش ساختار نقصهای گسترده در پایداری بلندبرد نظم مغناطیسی، ساختار الکترونی مرزدانهی Sigma 7 دراکسید روی آلاییده به کبالت، مورد مطالعه قرار گرفته است. همبستگی بین وجود مرزدانه و نظم فرومغناطیسی به کمک محاسبات ساختار الکترونی ابتدا به ساکن بررسی شد. تعیین اختلاف کمّی و کیفی بین ساختار الکترونی حالت تودهی ماده شامل آلایندهی کبالت و مادهی شامل مرزدانه و آلایندهی کبالت کلید فهم و درک این پدیده است. به این منظور، رهیافت نظریهی تابعی چگالی و تقریب ASIC گنجانده شده در بستهی محاسباتی SIESTA را به کار بستهایم. در فصل پایانی، محاسبات پتانسیل کامل، جهت مطالعهی گذار حلقه-قفس در خوشههای کوچک اکسید روی (ZnO) n و اثر آن بر خواص الکترونی و ترمودینامیک ارتعاشی سیستم انجام شد. منشأ این گذار ساختاری، که در n=9 اتفاق میافتد، با مطالعهی زاویهی پیوندی Zn-O-Zn ، قدرت پیوند Zn-O و تعداد پیوندها بررسی میشود. اندازهی ?? ، کوچکترین عدد جادویی خوشههای اکسید روی در حالت پایه است در حالی که برانگیختگیهای ارتعاشی، پایداری نسبی خوشهی (ZnO) 9 را افزایش میدهد و آن را به عدد جادویی در دماهای بیشتر از حدود ??? درجهی کلوین تبدیل میکند. ساختار الکترونی به دست آمده، قبل و بعد از به کار گرفتن تصحیح بسذرهای GW ، یک انتقال قرمز ناشی از گذار ساختاری حلقه-قفس را در سیستم نشان میدهد. رفتار نقاط اکسترمم چگالی الکترون خوشهها و برونیابی به سمت خوشههای بزرگتر میتواند به پیشبینی یک فاز شبهپایدار در کنار ساختار تودهای اکسید روی شود. کلمات کلیدی: اکسید روی آلاییده به کبالت، تقریب بسذرهای GW، تقریب تصحیح خود برهمکنش اتمی ASIC و خوشههای اکسید روی.