Ukrainian Journal of Physical Optics 

Volume 22, Issue 1, 2021
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Effect of dopant concentration and crystalline structure on the absorption edge in ZnO:Y films

1Turko B., 1Mostovoy U., 1Kovalenko M., 1Eliyashevskyi Y., 1Kulyk Y., 1Bovgyra O., 1Dzikovskyi V., 2Kostruba A., 3Vlokh R., 2Savaryn V., 2Stybel V., 2Tsizh B. and 4Majevska S.

1Ivan Franko National University of Lviv, 50 Dragomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine
2Stepan Gzhytskyi National University of Veterinary Medicine and Biotechnologies, 50 Pekarska Street, 79010 Lviv, Ukraine
3O. G. Vlokh Institute of Physical Optics, 23 Drahomanov Street, 79005 Lviv, Ukraine
4Lviv State University of Physical Culture, 11 Kostiushka Street, 79000 Lviv, Ukraine
 

Download this article

Abstract. We study the crystalline structure and absorption spectra for the zinc oxide films with different levels of yttrium doping. The films are deposited on glass substrates, using radio-frequency magnetron sputtering. We estimate the concentration of free charge carriers and show that the ‘blue’ shift of the fundamental absorption edge in ZnO:Y films with increasing doping level (up to 4.7 wt. %) is explained by Burstein–Moss effect. At higher concentrations of yttrium, behaviour of the fundamental absorption edge is described by a known empirical Urbach rule. 

Keywords: yttrium-doped zinc oxide, absorption edge, optical bandgap, crystalline structure, Burstein–Moss effect

UDC: 535.3; 539.26
Ukr. J. Phys. Opt. 22 31-37
doi: 10.3116/16091833/22/1/31/2021
Received: 08.12.2020

Анотація. Вивчено кристалічну структуру та спектри поглинання плівок оксиду цинку з різними рівнями легування ітрієм. Плівки наносили на скляні підкладки за допомогою радіочастотного магнетронного розпилення. Оцінено концентрацію вільних носіїв заряду і показано, що «синій» зсув краю фундаментального поглинання у плівках ZnO:Y, який спостерігаємо зі зростанням рівня легування до 4,7 мас. %, пояснюється ефектом Бурштейна–Мосса. За вищих концентрацій ітрію поведінка краю фундаментального поглинання описується відомим емпіричним правилом Урбаха.

Ключові слова: легований ітрієм оксид цинку, край поглинання, оптична заборонена зона, кристалічна структура, ефект Бурштейна–Мосса
REFERENCES
  1. Тurko B and Kapustianyk V. ZnO as multifunctional material for nanoelectronics (2nd Suppl. Ed.). Beau Bassin: Scholars' Press (2020).
  2. Kapustianyk V B, Turko B I, Rudyk V P, Kulyk B Y and Rudko M S, 2015. Effect of dopants and surface morphology on the absorption edge of ZnO films doped with In, Al, and Ga. J. Appl. Spectrosc. 82: 153−156. doi:10.1007/s10812-015-0079-y
  3. Ivanova T, Harizanova A, Koutzarova T and Vertruyen B, 2016. Investigation of sol-gel yttrium doped ZnO thin films: structural and optical properties. J. Phys.: Conf. Ser. 682: 012023. doi:10.1088/1742-6596/682/1/012023
  4. Anandan S and Muthukumaran S, 2013. Influence of yttrium on optical, structural and photoluminescence properties of ZnO nanopowders by sol-gel method. Opt. Mater. 35: 2241-2249. doi:10.1016/j.optmat.2013.06.009
  5. Bouaine A, Guendouz H, Schmerber G and Zehouma Y, 2019. Synthesis and characterization of Y-doped ZnO thin films prepared by spin-coating technique. Austr. J. Bas, Appl. Sci. 13: 49−54.
  6. Youvanidha A, Vidhya B, Issac Nelson P, Rathes Kannan R and Suresh Babu S K, 2019. Investigation on the structural, optical and electrical properties of ZnO−Y2O3 (YZO) thin films prepared by PLD for TCO layer applications. AIP Conf. Proc. 2166: 020023-1-020023-8. doi:10.1063/1.5131610
  7. Bazta O, Urbieta A, Piqueras J, Fernández P, Addou M, Calvino J J and Hungría A B, 2019. Influence of yttrium doping on the structural, morphological and optical properties of nanostructured ZnO thin films grown by spray pyrolysis. Ceramics International. 45: 6842−6852. doi:10.1016/j.ceramint.2018.12.178
  8. Panasyuk M R, Turko B I, Kapustianyk V B, Lubochkova G A, Rudyk V P, Vas'kiv A P and Davydov V M, 2005. Manufacturing technology, optical and spectral properties of nanostructurized thin ZnO films. Functional Mater. 12: 746-749.
  9. Atribak I, Bueno-López A and García-García A, 2009. Role of yttrium loading in the physico-chemical properties and soot combustion activity of ceria and ceria-zirconia catalysts. J. Mol. Catal. A: Chem. 300: 103-110. doi:10.1016/j.molcata.2008.10.043
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics