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Aug 13, 2023

Abstimmung der Bandlücke und des dielektrischen Verlustfaktors durch Mn-Dotierung von Zn1

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8646 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie untersuchte die strukturellen, optischen und dielektrischen Eigenschaften von reinen und Mn+2-dotierten ZnO-Nanopartikeln (Zn1−xMnxO) mit x ≥ 20 %, die durch Kopräzipitationsmethode und anschließendes Tempern bei 450 °C synthetisiert wurden. Zur Charakterisierung der so hergestellten Nanopartikel wurden verschiedene Charakterisierungstechniken durchgeführt. Die Röntgenbeugungsanalyse des reinen und mit Mn+2 dotierten Materials ergab eine hexagonale Wurtzitstruktur und eine mit zunehmender Dotierungskonzentration abnehmende Kristallitgröße. Die morphologische Analyse mittels REM ergab fein verteilte kugelförmige Nanopartikel mit einer Partikelgröße von 40–50 nm. Die Zusammensetzungsanalyse von EDX bestätigte den Einbau von Mn+2-Ionen in die ZnO-Struktur. Die Ergebnisse der UV-Spektroskopie zeigten, dass eine Änderung der Dotierungskonzentration die Bandlücke beeinflusst und eine Rotverschiebung beobachtet wird, wenn die Dotierungskonzentration erhöht wird. Die Bandlücke ändert sich von 3,3 auf 2,75 eV. Dielektrische Messungen zeigten eine Abnahme der relativen Permittivität, des dielektrischen Verlustfaktors und der Wechselstromleitfähigkeit mit zunehmender Mn-Konzentration.

Unter den Metalloxiden war Zinkoxid schon immer wichtig für Forscher, da es in der Vergangenheit in verschiedenen Keramiken und Pharmazeutika eingesetzt wurde1. In jüngster Zeit steht es wieder im Rampenlicht, da Modifikationen der physikalischen Eigenschaften von Materialien bemerkenswerte Anwendungen gefunden haben2. Auf dem Gebiet der Optoelektronik und Photonik ist die Manipulation der Bandlücke der Schlüssel für viele praktische Geräte3. Aufgrund der vielfältigen Eigenschaften von ZnO wird es in der Literatur bei der Herstellung von piezoelektrischen Wandlern, optischen Wellenleitern4, transparenten leitfähigen Oxiden, chemischen und Gassensoren5, Spinfunktionsgeräten und UV-Lichtemitter6 beschrieben. Zinkoxid mit einer breiten Bandlücke von 3,37 eV bietet bei Dotierung im Vergleich zu GaAs7 ein großes Potenzial für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Fotosensoren, Fotodioden, Lasern, Solarzellen und LEDs bei Raumtemperatur. Es wurde berichtet, dass ZnO-Nanodrähte in Solarzellen die Effizienz steigern4. Übergangsmetalldotiertes ZnO mit einer direkten Bandlücke im sichtbaren Bereich macht es als lichtempfindliches und lichtabsorbierendes Material attraktiv8.VD Mote et al. berichteten, dass Mn-dotiertes ZnO aufgrund der Dotierung, die ihm seinen verdünnten magnetischen Halbleitercharakter verleiht und es für die Spintronik nützlich macht, wieder an Interesse gewonnen hat. Aufgrund der großen Exzitonenbindungsenergie von 60 meV8 können bei Raumtemperatur ein geringer Energieverbrauch und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Zinkoxid wird als Pufferschicht, transparentes leitendes Oxid und als Zwischenschicht in verschiedenen Geräten verwendet. Die Anpassung der Bandlücke durch Dotierung ebnet den Weg für Photovoltaik auf Metalloxidbasis, die im Vergleich zu Geräten auf Siliziumbasis kostengünstiger ist. Mehrfachsolarzellen können mit unterschiedlicher Dotierung hergestellt werden, um den größtmöglichen Wellenlängenbereich im sichtbaren Licht zu absorbieren. Es wurde berichtet, dass ZnO in Kombination mit TiO2 verwendet wird, wobei ZnO eine bessere Leitfähigkeit aufweist und TiO2 aufgrund seiner geringeren Defektzustände zur Verringerung der Rekombinationsrate beiträgt9.

Shakeel Khan et al. berichteten über die dielektrischen Eigenschaften von Mn-dotiertem ZnO; Diese Eigenschaften ändern sich, wenn sich die Temperatur und die Art des Materials ändern. Ebenso ändern sich diese Eigenschaften, wenn sich die Dotierungskonzentration ändert. Die Ergebnisse ermutigen zur Verwendung von Mn-dotiertem ZnO in Geräten, die mit hohen Frequenzen arbeiten10. Dinesha et al. berichteten auch über das strukturelle und dielektrische Verhalten von Fe-dotiertem ZnO und führten den Anstieg der Wechselstromleitfähigkeit auf einen zunehmenden Sprungmechanismus zurück11. Sie legen nahe, dass die Untersuchung des dielektrischen Verhaltens von Mn-dotiertem ZnO sehr nützlich ist. In der modernen Halbleitertechnologie ist es wichtig, den Elektronentransport zu beschleunigen und Verluste zu reduzieren. DSSCs oder farbstoffsensibilisierte Solarzellen sind eine Klasse exzitonischer Photozellen, die effizient und sehr stabil für die Energieerzeugung sind12. Die Grundidee besteht darin, ZnO-Nanopartikel und ZnO-Nanodrähte zu kombinieren, um eine Photoanode herzustellen, die eine große Oberfläche für die Absorption bietet und den Elektronentransport verbessert, der durch Mn-Dotierung weiter verbessert werden kann13. Fabbiyola et al. berichteten, dass der Vergleich zwischen den Ionenradien von Mn+2 und Zn+2 zeigt, dass sie ziemlich ähnlich sind und daher im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen eine gute Mn-dotierte ZnO-Kristallstruktur mit hoher Löslichkeit erzeugen14.

Es wurde berichtet, dass die ZnO-Bandlücke durch Hinzufügen eines geeigneten Übergangsmetalls zum Kristallgitter von ZnO verringert werden könnte, um neue Energieniveaus unmittelbar unterhalb des Leitungsbandes bereitzustellen15. Wenn die Koordinationsumgebung von Zn in der ZnO-Struktur durch die eingefügten Fremdelemente verändert wird, verändert sich die elektronische Struktur von ZnO, was seine photokatalytische Wirksamkeit verbessert. In einer kürzlich veröffentlichten Studie zu kobaltdotiertem Titandioxid wurde dieses Phänomen hervorgehoben. Bemerkenswert ist, dass sd- und pd-Wechselwirkungen die elektronische DN-Konfiguration von Übergangsmetallen erheblich beeinflussen, wenn sie als Fremddotierungselemente verwendet werden. Andererseits hat sich gezeigt, dass die Menge des verwendeten Dotierungselements einen Einfluss auf die strukturellen, optischen und photokatalytischen Eigenschaften des dotierten Oxids hat, wie in mehreren Untersuchungen erwähnt wurde16,17,18,19.

Bei der modernen Technologie liegt der Schwerpunkt auf der Kontrolle und Manipulation der Eigenschaften von Materialien. In dieser Untersuchung berichten wir über die gleichzeitige Abstimmung der Bandlücke und der dielektrischen Eigenschaften mit einer Mangan-Dotierung von bis zu 20 %, ohne die Struktur von Zinkoxid zu beeinflussen. Für die Herstellung von Mn-dotiertem ZnO wurden mehrere Methoden beschrieben, darunter die Sol-Gel-Methode9, das RF-Magnetron-Sputtern12, die hydrothermale Methode13 und die Kofällung6. Wir haben die Kofällung eingesetzt, da bei diesem Verfahren komplexe Schritte bei niedrigeren Temperaturen vermieden werden können und der Zeitaufwand im Vergleich zu anderen Techniken geringer ist. Zur Untersuchung der vorbereiteten Proben wurden verschiedene Charakterisierungen verwendet, darunter Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie, UV-Vis-Spektroskopie und dielektrische Analyse.

Die Proben von Mn-substituiertem ZnO mit nominalen Zusammensetzungen von Zn1-xMnxO \((\mathrm{x}=0\mathrm{\%},5\mathrm{\%}, 10\mathrm{\%},15\mathrm{ \%},20\mathrm{\%})\) wurden durch Kopräzipitationstechniken synthetisiert. Bei dieser Technik wurden wässrige Salzlösungen von Reaktanten gemischt, um durch Überschreiten der Löslichkeitsgrenze eine Ausfällung unlöslicher Substanzen zu bewirken. Zinkacetat dehydriert Zn(CH3COOH)2.2H2O, Manganacetat-Tetrahydrat Mn(CH3COOH)2.4H2O und Natriumhydroxid NaOH in analytischer Qualität wurden in diesem Experiment ohne weitere Reinigung verwendet. Um die undotierte ZnO-Probe vorzubereiten, wurde die entsprechende Menge Zinkacetat-Dihydrat Zn(CH3COOH)2.2H2O in 300 ml destilliertem Wasser gelöst und tropfenweise NaOH hinzugefügt, um den pH-Wert auf 8,5 einzustellen. Der erwartete Durchschnitt Die Größe beträgt bei diesem pH-Wert 40 nm. Die Lösung wurde auf einer Heizplatte zweieinhalb Stunden lang mit einem Magnetrührer gerührt. Die Temperatur wurde bei 80–85 °C gehalten. Die Größe der Nanopartikel wurde durch die Optimierung verschiedener Syntheseparameter wie pH-Wert, Dotierstoffkonzentration und Reaktionszeit gesteuert. Anschließend wurde die Lösung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die gebildeten Niederschläge wurden mehrmals mit destilliertem Wasser gewaschen. Anschließend wurden diese Proben 1 Stunde und 30 Minuten in einem Ofen bei 150 °C getrocknet. Die vorbereiteten Proben wurden 4 Stunden lang bei 450 °C in einem Ofen getempert, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verbessern. Für Mn-dotiertes ZnO fügten wir Manganacetat-Tetrahydrat Mn(CH3COOH)2.4H2O und Zinkacetat-Dehydrat Zn(CH3COOH)2.2H2O in einem stöchiometrischen Verhältnis in 300 ml destilliertem Wasser hinzu und folgten dem gleichen Verfahren wie für die dotierte Probe für 0,05, 0,10, 0,15 und 0,20.

Zur Untersuchung der Struktur wurde Röntgenbeugung verwendet, wobei als Quelle Cu-kα-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,54 Å und 2θ im Bereich von 20° bis 70° verwendet wurde. Die morphologische Analyse wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (VEGA TESCAN-13 AT NUST) bei 20 keV durchgeführt. Die dielektrischen Parameter wurden mit einem Agilent E4980 LCR-Messgerät im Frequenzbereich (20 Hz bis 2 MHz) untersucht, und UV-Vis-Spektroskopie lieferte uns die Energiebandlücke mit Absorptionsspektren im Bereich von 200 bis 1000 nm.

Röntgenbeugung (Diffraktometersystem = XPERT-3 Malvern Panalytical) unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,54 Ao über den Winkelbereich von 20° ≤ 2θ ≤ 70° durch schrittweises Scannen ergibt eine Schrittgröße von 0,02° bei einer Zählzeit von 3 s pro Schritt). Es handelt sich um eine bekannte Technik, mit der wir die strukturellen Eigenschaften eines Materials analysieren können. Abbildung 1 zeigt die XRD-Daten für undotiertes und Mn-dotiertes ZnO bei verschiedenen Dotierungskonzentrationen (0,00, 0,05, 0,10, 0,15 und 0,20). Die scharfen Peaks stellen einen guten Grad an Kristallinität in diesen Proben dar; Außerdem werden Sekundärphasen beobachtet, was auf reine und einphasige Proben schließen lässt. Das Diffraktogramm zeigte drei breite Peaks für undotiertes und Mn-dotiertes ZnO. Diese Peaks passen gut zur Kristallebene einer hexagonalen Wurtzitstruktur. Die Peaks für dotierte und undotierte ZnO-Nanopartikel sind ähnlich, was zeigt, dass Mn+2-Ionen erfolgreich Zn+2-Ionen für bis zu 20 % der Dotierung ersetzt haben. Die Kristallitgröße für alle Proben wird mithilfe der Debye-Sheerer-Formel14 berechnet. Die Tabelle 1 zeigt einen abnehmenden Trend der Kristallitgröße mit zunehmender Dotierungskonzentration, von 40 nm reinem ZnO bis 50 nm für 20 % Mn-dotiertes ZnO. Mit zunehmender Dotierungskonzentration kann eine Peakverbreiterung beobachtet werden, die sich auf die Partikelgröße auswirkt. Die Ursache für diese Änderung ist die im System erzeugte Gitterspannung aufgrund der etwas größeren Radien von Mn+2-Ionen als von Zn+2-Ionen18, wohingegen die Versetzungsdichte durch Gleichung (1) berechnet werden kann. (1)22.

XRD-Muster zwischen 2θ und Intensität für reines und Mn-dotiertes ZnO.

Die Variation der Kristallitgröße, der Gitterkonstanten, des Volumens und der Versetzungsdichte mit der Dotierungskonzentration ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Kristallitgröße verringert das Elementarzellenvolumen durch Dotierung von Mn in ZnO. Dies kann auf die im System erzeugte Gitterspannung aufgrund größerer Radien von Mn+2-Ionen als von Zn+2 zurückzuführen sein. Die Zugabe von Mn zu ZnO hat einen erheblichen Einfluss auf die Versetzungsdichte des resultierenden Materials. Die Versetzungsdichte nimmt ab. Die Abnahme der Versetzung stellt eine Abnahme des Gehalts an Gitterfehlern dar und weist auf die Bildung von Proben mit besserer Qualität hin20,21.

Die morphologische Analyse dieser Proben wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) untersucht. SEM-Bilder sind in Abb. 2a für undotiertes ZnO und (b), (c), (d), (e) für 5 % dargestellt. 10 %, 15 % bzw. 20 % Mn-dotiertes ZnO. Die SEM-Bilder zeigten, dass die Partikel kugelförmig sind und sich mit zunehmender Dotierungskonzentration leicht verändern. Die beobachtete Partikelgröße liegt im Bereich von 40 bis 50 nm. Die REM-Bilder zeigen eine kugelförmige Morphologie und es wird eine Agglomeration mit zunehmender Dotierungskonzentration beobachtet.

(a) REM-Bild für REINES ZnO (b) REM-Bild für 5 % Dotierung (c) REM-Bild für 10 % (d) REM-Bild für 15 % (e) REM-Bild für 20 % Mn-basierte ZnO-Nanopartikel.

Die Elementaranalyse wurde mit einem EDS (Energiedispersives Spektroskop) durchgeführt.Abb. 3a zeigt EDX für undotiertes ZnO, das keine Spuren unerwünschter Elemente aufweist, was die Reinheit von ZnO bestätigt. Abbildung 3b–e hingegen zeigt 5 %, 10 %, 15 % und 20 % Mn-dotiertes ZnO und zeigt das Vorhandensein von Mangan zusätzlich zu Zn und O. Die anfänglichen und beobachteten Gewichtsprozentsätze stimmen überein und die Atomzahl und Gewichtsprozente, die unterschiedlichen Dotierungen entsprechen, sind in Tabelle 2 aufgeführt.

EDX-Analyse (a) undotiertes ZnO-Energiespektrum (b) 5 % Mn-dotiertes ZnO-Energiespektrum (c) 10 % dotiertes ZnO-Energiespektrum (d) 15 % dotiertes ZnO-Energiespektrum (e) 20 % dotiertes Spektrum von ZnO-Nanopartikeln.

Bei Raumtemperatur wurde UV-sichtbare Spektroskopie (SPECORD 200 PLUS) an reinem und Mn-dotiertem ZnO durchgeführt. Der maximale Absorptionsbereich der Wellenlänge wurde für eine reine Probe festgestellt. Es wurde durch andere dotierte Proben geleitet, was uns die Wellenlänge und die relative optische Durchlässigkeit der Probe lieferte. Aus diesen Mengen wurden weitere Berechnungen durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der maximale Absorptionsbereich zwischen 200 und 1000 nm liegt. Vor der Dotierung erwies sich die reine Probe im sichtbaren Spektrum als transparent und zeigte nur Absorptionsspitzen im UV-Bereich. Bei einer Erhöhung der Dotierungskonzentration auf bis zu 20 % entsprechen die Spektren Peaks im sichtbaren Bereich mit einer Wellenlänge entsprechend 427 nm. Die Variation der Bandlücke wird mithilfe der Tauc-Beziehung gemäß Gleichung (1) untersucht. (2).

wobei n ½ für Materialien mit direkter Bandlücke und 2 für Materialien mit indirekter Bandlücke ist, ist das Diagramm zwischen (αhν)2 und hν in Abb. 4 dargestellt. Die Extrapolation des linearen Teils der Kurve auf die x-Achse liefert die direkte Bandlücke für jede Probe . Das eingefügte Diagramm zeigt die Beziehung zwischen der Bandlücke und der Dotierungskonzentration. Es ist zu beobachten, dass sich die Bandlücke bei einer Erhöhung der Dotierungskonzentration um 5 %, 10 %, 15 % und 20 % von 3,25 eV, 3,12 eV, 3,0 eV und 2,75 eV ändert Dies kann auf die SPD-Austauschwechselwirkung zwischen dem Dotierstoff Mn+2 und dem Wirt ZnO zurückgeführt werden. Die Dotierung von Mn+2 im ZnO-Gitter führte zu Verunreinigungsgraden. Infolgedessen überlappt das d-Orbital von Mn mit dem 2p-Orbital von Sauerstoff und dem 4 s-Orbital von Zn. Dies führt zu einer Austauschwechselwirkung zwischen diesen Orbitalen, wodurch das Valenzbandmaximum angehoben und das Leitungsbandminimum abgesenkt wird. Dies zeigt, dass die Bandlücke durch Änderung der Dotierstoffkonzentration eingestellt werden kann. Die Abstimmung der Bandlücke ist eine wichtige Eigenschaft, die den Einsatz von ZnO in der Photovoltaik und Thermoelektrik ermöglicht. Die Bandlücke wird auch durch strukturelle Verformung beeinflusst. Diese Verformungen können zu einer piezoelektrischen Polarisation im System führen und lokale elektrische Felder erzeugen, die Bandbiegeeffekte hervorrufen14,18.

Tac-Diagramme der vorbereiteten Nanostrukturen (der Einschub der Abbildung zeigt die Berechnung der Bandlückenenergie).

Die dielektrischen Untersuchungen wurden mit einem LCR-Messgerät durchgeführt. Die Probe in Form eines Pellets wurde zwischen einen Parallelplattenkondensator gegeben. An die Platten wird eine Wechselstromversorgung angelegt und die entsprechende Frequenz und Kapazität werden gemessen, um den Real- und Imaginärteil der Permittivität zu ermitteln. Der Realteil der Dielektrizitätskonstante ist durch Gleichung (1) gegeben. (3):

Dabei ist A die Fläche des Pellets, C die Kapazität, ε0 die Permittivität des freien Raums und t die Dicke unseres Pellets. Die Dielektrizitätskonstante als Funktion der Frequenz für alle Proben ist in Abb. 5 dargestellt. Die dielektrischen Eigenschaften eines Materials hängen von der Frequenz ab, und es ist zu erkennen, dass die Dielektrizitätskonstante bei allen auftretenden Polarisationen, einschließlich atomarer, ionischer und Dipolpolarisation, mit zunehmender Frequenz abnimmt und Raumladungspolarisation. Bei heterogenen Strukturen ist die Raumladungspolarisation am bedeutsamsten. Dieses Phänomen kann auf Basis des Maxwell-Wagner-Modells erklärt werden. In heterogenen Materialien neigen Ladungsträger dazu, sich an Grenzflächen oder Grenzflächen anzusammeln. Gemäß dem oben erwähnten Modell werden in einem dielektrischen Material beim Anlegen einer Wechselstromversorgung zwei Arten von Regionen gebildet, nämlich Körner und Korngrenzen. Dabei ist das Korn der leitende Bereich im Dielektrikum und die Korngrenzen sind die isolierenden Wände zwischen den Körnern. Bei niedrigen Frequenzen spielen also die Korngrenzen eine aktive Rolle und an den Korngrenzen wird eine Ladung aufgebaut, während bei hohen Frequenzen das Dipolmoment bemerkenswert schnell genug ausgerichtet ist, um in Ausrichtung mit dem angelegten Feld zu bleiben Die Dielektrizitätskonstante wird unabhängig von der angelegten Frequenz. Der Dotierungseffekt verringert auch die Dielektrizitätskonstante, da mit zunehmender Dotierungskonzentration mehr Defekte eingeführt werden, die dazu neigen, die Dicke der Korngrenze zu erhöhen und somit die Menge der angesammelten Ladung zu verringern9. Abbildung 5a zeigt das Diagramm zwischen Variationen der Dielektrizitätskonstanten mit den Dotierungskonzentrationen.

(a) Frequenzabhängige Dielektrizitätskonstante, (b) Verlustfaktor oder Tangentenverlust und (c) Wechselstromleitfähigkeit von Mn-basierten ZnO-Nanopartikeln.

Der dielektrische Verlust, auch Verlustfaktor genannt, ist der Wirkungsgrad, mit dem elektromagnetische Strahlung in Wärme umgewandelt wird. Mathematisch wird es wie in Gl. geschrieben. (4).

Dabei ist ε'' der dielektrische Verlust und tanδ der Tangens des dielektrischen Verlusts. Das Diagramm zwischen dielektrischen Verlusten in Abhängigkeit von der Frequenz ist in Abb. 5b dargestellt. Das im Diagramm gezeigte Verhalten kann auf der Grundlage des Koop-Modells erklärt werden, das dem Maxwell-Wager-Modell ähnelt. Nach dieser Theorie ist bei niedrigen Frequenzen die Zeit zwischen Polarisation und Depolarisation groß und der Verlust größer, während bei höheren Frequenzen das Dipolmoment nicht auf das elektrische Feld reagiert und davon unabhängig wird. Um Dipole in Richtung des elektrischen Feldes auszurichten, wird grundsätzlich Energie aufgrund des Widerstands ihrer trägen Masse abgeführt. Bei niedrigen Frequenzen eilt die Polarisation dem angelegten Feld nach, wodurch ein größerer Verlustfaktor entsteht. ZnO ist ein polares Molekül, aber wenn wir Mn + 2 hinzufügen, verringert es die Polarität der dotierten Probe und verringert somit die Dielektrizitätskonstante und den Verlustfaktor.

Die Variation der Leitfähigkeit in Bezug auf die Frequenz bei Raumtemperatur ist in Abb. 5c dargestellt. Die Wechselstromleitfähigkeit für alle Proben wurde mit Gleichung berechnet. (5)22.

Die Wechselstromleitfähigkeit wird als Funktion der Frequenz betrachtet. Die Grafik zeigt, dass die Wechselstromleitfähigkeit mit zunehmender angelegter Frequenz zunimmt. Die Wechselstromleitfähigkeit ist bei niedrigen Frequenzen gering, was möglicherweise auf Ladungen zurückzuführen ist, die sich an den Korngrenzen aufbauen. Wenn die Frequenz zu höheren Werten geht, erhöhen sich die Sprungrate der freien Ladungsträger und der Verschiebungsstrom aufgrund der gebundenen Ladungen, wodurch die Wechselstromleitfähigkeit zunimmt. Auch die Wechselstromleitfähigkeit variiert mit der Mn-Konzentration und nimmt mit zunehmender Dotierung ab. Dies kann auf die Blockierung von Ladungsträgern an den Korngrenzen zurückgeführt werden, da mit zunehmender Dotierung auch die Defektionen im ZnO-Gitter zunehmen. Durch die Dotierung mit Mn wird die Korngröße von ZnO verkleinert. Die Bildung kleinerer Körner kann durch Mn-Atome ausgelöst werden, was die elektrischen Eigenschaften des Materials verbessern kann. Das Vorhandensein von Mn kann auch die Materialfehler verringern, was die Korngrenzenqualitäten noch weiter verbessern kann. Diese Beobachtungen haben uns geholfen, die Einflüsse der Mn-Dotierung in unterschiedlichen Anteilen zu verstehen und zu verstehen, wie sie sich auf das dielektrische Verhalten auswirken und ein gewisses Maß an Kontrolle darüber ermöglichen10.

Wir haben die mit Mangan dotierten Zinkoxid-Nanopartikel verschiedener Konzentrationen (0,0, 0,05, 0,10, 0,15 und 0,20) erfolgreich durch die Co-Präzipitationsmethode hergestellt. Die Phasenreinheit, Kristallinität und Bildung der hexagonalen Struktur wurden anhand der XRD-Analyse beobachtet. Wir haben beobachtet, dass die Kristallitgröße stark von der Mn-Konzentration abhängt. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte gut dispergierte kugelförmige Partikel im Bereich von 40–50 nm. Die Ergebnisse der UV-Spektroskopie zeigten Veränderungen der Bandlücke durch Variation der Dotierungskonzentration. Die mithilfe des Tauc-Diagramms beobachtete Bandlücke nimmt mit zunehmender Mn-Konzentration aufgrund der spd-Austauschwechselwirkung zwischen Dotierstoff und Wirt ab. Dies zeigt, dass wir die optische Bandlücke von ZnO einstellen können und damit Mn-dotiertes ZnO beweisen können, ein günstiger Kandidat für Optoelektronik, Spintronik, Mikro- und Nanogeräte-Orbitale. Die dielektrischen Untersuchungen zeigten eine Abnahme der Dielektrizitätskonstante (Realteil), des dielektrischen Verlustfaktors (Imaginärteil) und der Wechselstromleitfähigkeit mit zunehmender Mn-Konzentration, da die Einführung von Mn in die ZnO-Struktur die Gesamtpolarität verringert, was zu einer Abnahme der führt oben genannten dielektrischen Eigenschaften. Es wird gefolgert, dass die Wirkung unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen das enorme Ziel dieser Forschungsarbeit erreichte, nämlich gute optische, dielektrische und strukturelle Eigenschaften dieser Materialien für zukünftige Anwendungen zu erhalten.

Die Autoren bestätigen, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel verfügbar sind.

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Die Beiträge der Autoren in der überarbeiteten Version des Artikels sind unten aufgeführt: (i) GC-Erfassung, Analyse, Interpretation der Daten in der überarbeiteten Version des Artikels. (ii) GC trug zur Interpretation der Ergebnisse im überarbeiteten Entwurf bei. (iii) GC und AA haben das überarbeitete Manuskript mit Unterstützung von WHS verfasst. (iv) GC, AA, WHS Naveed Imran und Muhammad Sohail haben die Berechnungen in der Überarbeitungsphase ebenfalls erneut bestätigt/verifiziert. (v) AA, WHS, NI, GC, AA, HJ, KR, LA, AS, MRA trugen zur Überarbeitung der Zusammenfassung, der Einleitung, der Ergebnisse sowie der Diskussion und Schlussfolgerung gemäß den Ratschlägen und Vorschlägen des Gutachters in der Überarbeitungsphase bei. (vi) GC, AA und WHS lesen und korrigieren außerdem das gesamte Manuskript bei der Überarbeitung, um die Ergebnisse besser darzustellen. (vii) NI, MS, WHS*, AA, HJ, KR, AA,*, LA, MRA entwickeltes Modell. (viii) NI, MS, WHS, MAS und verwendete das Lösungsschema zur Verarbeitung des resultierenden Ausdrucks und zeichnete die Diagramme auf. (ix) AA, HJ, KR, AA und MAS bestätigten die Modellierung und halfen bei der Literaturrecherche. (x) Der Einführungsabschnitt wurde von NI, MS, WHS *, AA, HJ, KR, AA, LA, MRA aktualisiert. (xi) Ergebnisse und Diskussion werden von NI, MS, WHS *, AA, HJ, KR, AA, LA, MRA vorbereitet. (xii) Der Abschnitt „Ergebnisse und Diskussion“ wurde von HJ, KR, AA verbessert. (xiii) Der Abschnitt „Schlussfolgerung“ wird von WHS *, AA, HJ, KR, AA,*, LA, MRA, NI, MAS und MS aktualisiert

Korrespondenz mit Wiqar Hussain Shah oder Gilbert Chambashi.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Shah, WH, Alam, A., Javed, H. et al. Abstimmung der Bandlücke und des dielektrischen Verlustfaktors durch Mn-Dotierung von Zn1-xMnxO-Nanopartikeln. Sci Rep 13, 8646 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35456-2

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Eingegangen: 19. Dezember 2022

Angenommen: 18. Mai 2023

Veröffentlicht: 27. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35456-2

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