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Effects of Cu, Ag, and Au Elements Doping on the Electronic and Optical Properties of β-Ga2O3 via First-Principles Calculations

材料科学 兴奋剂 电子结构 纳米技术 物理化学 凝聚态物理 工程物理 原子物理学 光电子学 物理 化学
作者
Jie Wang,Xin Guo,Aida Bao,Yongqiang Ma,Yayou Wang,Xinhao Xu,Yurou Li,Dongyu Yang,Yongpeng Zhao,Zeng Liu,Yajun You,Xingcheng Han
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.5c00938
摘要

β-Ga2O3, as a semiconductor material with an ultrawide band gap (Eg > 4.8 eV), emerges as a promising candidate for ultraviolet (UV)-transparent semiconductors. Its distinctive property of high transparency from visible light to the ultraviolet region gives it broad application prospects in the fields of deep UV light-emitting diodes (LEDs), UV lasers, and electronic devices. This study employed first-principles calculations utilizing the generalized gradient approximation+ U (GGA+U) method to investigate the impact of doping β-Ga2O3 with transition metals including copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au) on its electronic structure and optical properties. The findings reveal that under oxygen (O)-rich conditions, the formation energy of the doped system is lower compared to gallium (Ga)-rich conditions. And the Cu-doped β-Ga2O3 is demonstrated to possess the lowest formation energy, indicating an enhanced stability of the β-Ga2O3. Additionally, the intrinsic band gap of β-Ga2O3 is calculated to be 4.853 eV, whereas the band gaps of transition metal (TM)-doped β-Ga2O3 are significantly reduced. Specifically, the band gaps of Cu-doped, Ag-doped, and Au-doped β-Ga2O3 are 1.228, 0.982, and 1.648 eV, respectively. This reduction can be attributed to the introduction of impurity levels by the transition metals, which modify the electron distribution of gallium and oxygen atoms in the vicinity of the Fermi level. Remarkably, β-Ga2O3 exhibits superior ultraviolet light absorption performance, and the incorporation of transition metals such as Cu, Ag, and Au facilitates the expansion of the absorption region from the ultraviolet to the visible light range. This transformation not only enhances the material's light-harvesting capability but also improves the electron transition capability of the intrinsic β-Ga2O3, providing a crucial theoretical foundation for the development of novel β-Ga2O3-based optoelectronic devices.
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