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First principles calculations of optoelectronic and magnetic properties of Co-doped and (Co, Al) co-doped ZnO

蓝移 带隙 凝聚态物理 材料科学 反铁磁性 基态 居里温度 兴奋剂 旋转 密度泛函理论 红移 磁矩 铁磁性 光电子学 光致发光 物理 原子物理学 化学 计算化学 银河系 量子力学
作者
Muhammad Sheraz Khan,Lijie Shi,Bingsuo Zou
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:127 (6) 被引量:18
标识
DOI:10.1063/1.5143487
摘要

Based on first principles calculations within spin polarized-density functional theory, we investigate optoelectronic and magnetic properties of Co-doped and (Co, Al) co-doped ZnO. Our results demonstrate that Co substitution changes the nonspin polarized state of pure ZnO to spin polarized with total magnetic moment of 3 μB. The origin of antiferromagnetic (AFM) coupling between Co spins in the ZnO lattice is guided mainly by a super-exchange mechanism without any additional defects. The effect of Al codoping on the ground state of Co-doped ZnO is also investigated, and we find that the additional electron introduced by Al codoping changes the magnetic ground state of Co-doped ZnO from AFM to FM state, and the estimated Curie temperature is expected to be higher than room temperature. The optical absorption spectra of pure ZnO and Co-doped systems for all compositions are investigated, and we find that with an increase in Co concentration, the bandgap of ZnO and the position of spin-allowed d–d transition peaks of Co spins exhibit a blueshift and redshift behavior, respectively, which are consistent with the experimental results. Al codoping produces absorption peaks near infrared light and visible-light regions and increases transition energy due to the Burstein–Moss effect. Furthermore, the bandgap and d–d transition peaks of Co spins are correlated with magnetic coupling, and we observed a redshift of fundamental bandgap and d–d transition peaks of Co ions for FM coupled Co spins, and blueshift for AFM coupled Co spin systems.
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