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Electronic structure andp-type conduction mechanism of spinel cobaltite oxide thin films

类型(生物学) 材料科学 尖晶石 带隙 凝聚态物理 密度泛函理论 结晶学 物理 分析化学(期刊) 化学 生态学 色谱法 冶金 生物 量子力学
作者
Xiao‐Chun Huang,J. Y. Zhang,Meng Wu,S. Zhang,Haiyan Xiao,W. Q. Han,Tien‐Lin Lee,Anton Tadich,Dongchen Qi,L. Qiao,Lang Chen,Kelvin H. L. Zhang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:100 (11) 被引量:92
标识
DOI:10.1103/physrevb.100.115301
摘要

This work reports a fundamental study on the electronic structure, optical properties, and defect chemistry of a series of Co-based spinel oxide (${\mathrm{Co}}_{3}{\mathrm{O}}_{4}, {\mathrm{ZnCo}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$, and ${\mathrm{CoAl}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$) epitaxial thin films using x-ray photoemission and absorption spectroscopies, optical spectroscopy, transport measurements, and density functional theory. We demonstrate that ${\mathrm{ZnCo}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$ has a fundamental bandgap of 1.3 eV, much smaller than the generally accepted values, which range from 2.26 to 2.8 eV. The valence band edge mainly consists of occupied $\mathrm{Co}\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}3d\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}{t}_{2\mathrm{g}}^{6}$ with some hybridization with O $2p$/Zn $3d$, and the conduction band edge of unoccupied ${e}_{g}^{*}$ state. However, optical transition between the two band edges is dipole forbidden. Strong absorption occurs at photon energies above 2.6 eV, explaining the reasonable transparency of ${\mathrm{ZnCo}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$. A detailed defect chemistry study indicates that Zn vacancies formed at high oxygen pressure are the origin of a high $p$-type conductivity of ${\mathrm{ZnCo}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$, and the hole conduction mechanism is described by small-polaron hoping model. The high $p$-type conductivity, reasonable transparency, and large work function make ${\mathrm{ZnCo}}_{2}{\mathrm{O}}_{4}$ a desirable $p$-type transparent semiconductor for various optoelectronic applications. Using the same method, the bandgap of ${\mathrm{Co}}_{3}{\mathrm{O}}_{4}$ is further proved to be \ensuremath{\sim}0.8 eV arising from the tetrahedrally coordinated ${\mathrm{Co}}^{2+}$ cations. Our work advances the fundamental understanding of these materials and provides significant guidance for their use in catalysis, electronic, and solar applications.
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