Stabilnost in tvorba inverznih mej v ZnO: DFT in eksperimentalno presejanje novih dopantov, ki tvorijo inverzne meje

Predlagani projekt se ukvarja s stabilnostjo in tvorbo kemijsko induciranih domenskih sten, ki so v zadnjem času deležne velike pozornosti pri načrtovanju funkcionalnih materialov. Ker povzročijo nenadno 2D spremembo lastnosti materiala, znanih kot kvantne jame, predstavljajo idealno orodje za krojenje fizikalnih lastnosti materialov. Kot primer kemijsko induciranih domenskih sten v tem projektu smo izbrali inverzne meje (IBs) v ZnO, ki je netoksičen, cenovno ugoden polprevodnik tipa n s polarno wurtzitno strukturo, ki kaže odlično kombinacijo elektronskih in optičnih lastnosti, vključno z ustrezno strukturo prepovedanega pasu, kemično odpornostjo in termodinamično stabilnostjo, zaradi česar je prilagodljiv za vrsto aplikacij v elektroniki. IB v ZnO so kemično inducirane domenske stene, preko katerih je polarnost kristala obrnjena. V literaturi jih povezujejo z izboljšanim transportom elektronov, povečanim sipanjem fononov in povišanjem Schottkyjeve bariere, kar se odraža na optoelektronskih, piezotronskih, termoelektričnih in varistorskih lastnostih, povezujejo pa jih tudi z nepojasnjenim p–tipom prevodnosti v ZnO. Poleg vpliva na številne fizikalne lastnosti pa je bila nedvoumno dokazana tudi njihova vloga pri razvoju mikrostrukture, ki je posledica pretirane in anizotropne rasti ZnO zrn z IB. ZnO je zelo prilagodljiv modelni sistem za vgradnjo širokega nabora dopantov, ki spreminjajo elektronsko strukturo ZnO, pri čemer je znano, da nekateri od njih tvorijo kompleksne tipe IB v različnih mrežnih ravninah ali celo večplastne strukture s kombinacijo serije IB. Ključni cilj te podoktorske raziskave je torej ugotoviti mehanizme vgradnje dopantov in tvorbe IB v ZnO. Raziskovalna metodologija v okviru projekta temelji na multidisciplinarnem pristopu, ki združuje različna znanja in ravni znanstvene analize. Nastanek IB v ZnO bom proučevala z originalno zasnovano metodologijo, ki vključuje elektronsko mikroskopijo s pripadajočimi spektroskopskimi metodami za preučevanje strukture in kemije domenskih mej na atomarnem nivoju, modeliranje IB na osnovi fazne rekonstrukcije in analize opaženih struktur, strukturno relaksacijo na osnovi teorije gostotnih funkcionalov (DFT) ter kvantno kemijsko računanje osnovnih fizikalnih lastnosti na IB. Opisana metodologija bo vključevala študij vseh doslej znanih dopantov, ki tvorijo IB v ZnO, poleg tega pa je izdelan načrt za presejalno študijo celotnega periodnega sistem za identifikacijo novih dopantov, ki tvorijo IB. Nastanek IB bom preverjala z uveljavljenimi eksperimentalnimi pristopi kot je in–situ TEM, hidrotermalno oz. keramično procesiranje ter metoda z bikristali, ki jo uporabljamo za študij termodinamske stabilnosti mej med kristali v specifičnih kristalografskih orientacijah. Nosilka podoktorskega projekta je dr. Vesna Ribić. V svojem pionirskem delu o stabilnosti IB v Sb2O3–dopiranem ZnO, je s kombinacijo teoretičnih in eksperimentalnih pristopov naredila pomemben preboj v študijah domenskih sten v materialih. Njeno delo, ki vključuje kvantno kemijske izračune pri napovedovanju najstabilnejše strukture IB, je navdahnilo skupino teoretikov iz Centra za materiale v Leobnu (MCL), da so nadaljevali raziskovalni izziv in razvili inovativen teoretični pristop, ki omogoča primerjavo energij tvorbe IB z različnimi kemijskimi sestavami kar z doslej znanimi teoretičnimi pristopi ni bilo mogoče. To je privedlo do vzajemnega sodelovanja med raziskovalci da so po nekaj kritičnih preliminarnih testih metodologije pristopili k načrtovanju tega podoktorskega projekta. Kombinacija znanja obeh skupin ima potencial za ustvarjanje odmevnih znanstvenih odkritij ter razvoj inovativnih raziskovalnih metodologij in rešitev v teku predlaganega projekta.