Resolving the Puzzle of Charge Carrier Lifetime in ZnO by Revisiting the Role of Oxygen Vacancy

亚稳态 重组 电荷(物理) 载流子 化学物理 半导体 电子 材料科学 带隙 氧气 俘获 光电子学 载流子寿命 宽禁带半导体 原子物理学 化学 物理 生态学 生物化学 有机化学 量子力学 生物 基因
作者
Yating Yang,Yitong Zhang,Sebastian Fernández-Alberti,Run Long
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 1-8 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.3c03195
摘要

Zinc oxide (ZnO) is a wide bandgap prototypical n-type semiconductor due to the presence of intrinsic oxygen vacancies (VO). The VO can readily transfer to the most energetically favorable +2 charged VO (VO2+) by losing two electrons mediated by the metastable VO1+ defect. Nevertheless, the influence of charged VO on the charge dynamics in ZnO and the underlying mechanisms remain elusive. By performing nonadiabatic molecular dynamics simulations of the charge trapping and recombination processes, we show that both VO1+ and VO2+ slow down the nonradiative electron–hole recombination via assisted defect states and, thus, extending charge carrier lifetime compared to pristine ZnO. Our study contributes to identifying the different recombination pathways that take place in VO1+ and VO2+ of n-type ZnO systems, providing useful guidance for designing high-performance ZnO-based devices.

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