Computational analysis of the optical response of ZnSe with d-orbital defects

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作者
Nicholas A. Pike,Ruth Pachter,Alán Martinez,Gary Cook
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
卷期号:34 (20): 205402-205402 被引量:4
标识
DOI:10.1088/1361-648x/ac594a
摘要

The doping of wide band-gap semiconducting ZnSe by transition metal (TM) atoms finds applications from mid-infrared lasing, sensing, photoelectrochemical cells, to nonlinear optics. Yet understanding the response of these materials at the atomic and electronic level is lacking, particularly in comparing a range of TM dopants, which were studied primarily by phenomenological crystal-field theory. In this work, to investigate bulk ZnSe singly doped with first-row TM atoms, specifically Ti through Cu, we applied a first-principles approach and crystal-field theory to explain the origin of the infrared absorption. We show that the use of an appropriate exchange-correlation functional and a HubbardUcorrection to account for electron correlation improved the determination of the electronic transitions in these systems. We outline an approach for the calculation of the crystal-field splitting from first-principles and find it useful in providing a measure of dopant effects, also in qualitative comparison to our experimental characterization for ZnSe doped with Fe, Cr, and Ni. Our calculated absorption spectra indicate absorption signatures in the mid-infrared range, while the absorption in the visible portion of the spectrum is attributed to the ZnSe host. Our calculations will potentially motivate further experimental exploration of TM-doped ZnSe. Finally, the methods used here provide a route towards computational high-throughput screening of TM dopants in III-V materials through a combination of the electronic band structure and crystal-field theory.

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