Zinc oxide as a model transparent conducting oxide: A theoretical and experimental study of the impact of hydroxylation, vacancies, interstitials, and extrinsic doping on the electronic properties of the Polar ZnO (0002) surface

Chemistry of Materials

Volumn 24, Issue 15, 2012, Pages 3044-3055

  Li, Hong ^a   Schirra, Laura K ^b   Shim, Jaewon ^c   Cheun, Hyeunseok ^c   Kippelen, Bernard ^c   Monti, Oliver L A ^b   Bredas, Jean Luc ^a,d  

^a GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

^b University of Arizona   (United States)

^c GEORGIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY   (United States)

^d KING ABDULAZIZ UNIVERSITY   (Saudi Arabia)

Author keywords

conducting oxide; DFT slab calculations; surface defects; work function determination; zinc oxide

Indexed keywords

BONDING CONFIGURATIONS; CONDUCTING OXIDES; EXPERIMENTAL STUDIES; FUNCTIONALS; INTERSTITIALS; N-TYPE DOPING; PERDEW-BURKE-ERNZERHOF; POLAR SURFACES; SURFACE CONDITIONS; SURFACE ELECTRONIC PROPERTIES; SURFACE MODELS; SURFACE OXYGEN; SURFACE WORK FUNCTIONS; TRANSPARENT CONDUCTING OXIDE; WORK-FUNCTION DETERMINATION; ZINC INTERSTITIALS; ZINC VACANCY; ZNO; ZNO SURFACE;

BINDING ENERGY; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRONIC PROPERTIES; HYDROXYLATION; OPTOELECTRONIC DEVICES; OXYGEN VACANCIES; PHOTOELECTRONS; SEMICONDUCTOR DOPING; X RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY; ZINC; ZINC OXIDE;

SURFACE DEFECTS;

EID: 84865145607     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm301596x     Document Type: Article

References (100)

1. Srikant, V.; Clarke, D. R. J. Appl. Phys. 1998, 83 (10) 5447
2. Lu, W.; Lieber, C. M. J. Phys. D: Appl. Phys. 2006, 39 (21) R387
3. Peiro, A. M.; Ravirajan, P.; Govender, K.; Boyle, D. S.; O'Brien, P.; Bradley, D. D. C.; Nelson, J.; Durrant, J. R. J. Mater. Chem. 2006, 16 (21) 2088
4. Gonzalez-Valls, I.; Lira-Cantu, M. Energy Environ. Sci. 2009, 2 (1) 19
5. Bolink, H. J.; Coronado, E.; Repetto, D.; Sessolo, M. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 223501
6. Bolink, H. J.; Coronado, E.; Repetto, D.; Sessolo, M.; Barea, E. M.; Bisquert, J.; Garcia-Belmonte, G.; Prochazka, J.; Kavan, L. Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 145
7. Bolink, H. J.; Coronado, E.; Orozco, J.; Sessolo, M. Adv. Mater. 2009, 21, 79
8. Bolink, H. J.; Coronado, E.; Sessolo, M. Chem. Mater. 2009, 21, 439
9. Bolink, H. J.; Brine, H.; Coronado, E.; Sessolo, M. J. Mater. Chem. 2010, 20, 4047
10. Bolink, H. J.; Brine, H.; Coronado, E.; Sessolo, M. Adv. Mater. 2010, 22, 2198
11. Koster, L. J. A.; van Strien, W. J.; Beek, W. J. E.; Blom, P. W. M. Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1297
12. Lee, Y. J.; Sounart, T. L.; Scrymgeour, D. A.; Voigt, J. A.; Hsu, J. W. P. J. Cryst. Growth 2007, 304, 80
13. Olson, D. C.; Lee, Y. J.; White, M. S.; Kopidakis, N.; Shaheen, S. E.; Ginley, D. S.; Voigt, J. A.; Hsu, J. W. P. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 16640
14. Olson, D. C.; Shaheen, S. E.; Collins, R. T.; Ginley, D. S. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 16670
15. Hau, S. K.; Yip, H. L.; Baek, N. S.; Zou, J. Y.; O'Malley, K.; Jen, A. K. Y. Appl. Phys. Lett. 2008, 92, 253301
16. Monson, T. C.; Lloyd, M. T.; Olson, D. C.; Lee, Y. J.; Hsu, J. W. P. Adv. Mater. 2008, 20, 4755
17. Olson, D. C.; Lee, Y. J.; White, M. S.; Kopidakis, N.; Shaheen, S. E.; Ginley, D. S.; Voigt, J. A.; Hsu, J. W. P. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 9544
18. Liu, J. P.; Wang, S. S.; Bian, Z. Q.; Shan, M. N.; Huang, C. H. Chem. Phys. Lett. 2009, 470, 103
19. Lloyd, M. T.; Lee, Y. J.; Davis, R. J.; Fang, E.; Fleming, R. M.; Hsu, J. W. P.; Kline, R. J.; Toney, M. F. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 17608
20. Lloyd, M. T.; Prasankumar, R. P.; Sinclair, M. B.; Mayer, A. C.; Olson, D. C.; Hsu, J. W. P. J. Mater. Chem. 2009, 19, 4609
21. Sekine, N.; Chou, C. H.; Kwan, W. L.; Yang, Y. Org. Electron. 2009, 10, 1473
22. Spoerke, E. D.; Lloyd, M. T.; McCready, E. M.; Olson, D. C.; Lee, Y. J.; Hsu, J. W. P. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 213506
23. Uhlrich, J. J.; Olson, D. C.; Hsu, J. W. P.; Kuech, T. F. J. Vac. Sci. Technol. A 2009, 27, 328
24. Hsu, J. W. P.; Lloyd, M. T. MRS Bull. 2010, 35, 422
25. Yang, T. B.; Cai, W. Z.; Qin, D. H.; Wang, E. G.; Lan, L. F.; Gong, X.; Peng, J. B.; Cao, Y. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 6849
26. Zhang, B.; Lee, D. H.; Chae, H.; Park, C.; Cho, S. M. Korean J. Chem. Eng. 2010, 27, 999
27. Bailey, B. A.; Reese, M. O.; Olson, D. C.; Shaheen, S. E.; Kopidakis, N. Org. Electron. 2011, 12, 108
28. Cheun, H.; Fuentes-Hernandez, C.; Zhou, Y. H.; Potscavage, W. J.; Kim, S. J.; Shim, J.; Dindar, A.; Kippelen, B. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (48) 20713
29. Dulub, O.; Boatner, L. A.; Diebold, U. Surf. Sci. 2002, 519, 201
30. Triboulet, R.; Perriere, J. Progr. Cryst. Growth Charact. Mater. 2003, 47, 65
31. Zhang, C. Y.; Li, X. M.; Zhang, X.; Yu, W. D.; Zhao, J. L. J. Cryst. Growth 2006, 290, 67
32. Zhang, J. P.; He, G.; Zhu, L. Q.; Liu, M.; Pan, S. S.; Zhang, L. D. Appl. Surf. Sci. 2007, 253, 9414
33. Papadopoulou, E. L.; Varda, M.; Kouroupls-Agalou, K.; Androulidaki, M.; Chikoidze, E.; Galtier, P.; Huyberechts, G.; Aperathitis, E. Thin Solid Films 2008, 516, 8141
34. Moriyama, T.; Fujita, S. Jpn. J. Appl. Phys. 1 2005, 44 (11) 7919
35. Noguera, C. J. Phys.: Condens. Matter 2000, 12, R367
36. Dulub, O.; Diebold, U.; Kresse, G. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 016102
37. Kresse, G.; Dulub, O.; Diebold, U. Phys. Rev. B 2003, 68, 245409
38. Meyer, B.; Marx, D. Phys. Rev. B 2003, 67, 035403
39. Staemmler, V.; Fink, K.; Meyer, B.; Marx, D.; Kunat, M.; Girol, S. G.; Burghaus, U.; Woll, C. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 106102
40. Lindsay, R.; Muryn, C. A.; Michelangeli, E.; Thornton, G. Surf. Sci. 2004, 565, L283
41. Meyer, B. Phys. Rev. B 2004, 69, 045416
42. Woll, C. Prog. Surf. Sci. 2007, 82, 55
43. Du, M. H.; Zhang, S. B.; Northrup, J. E.; Erwin, S. C. Phys. Rev. B 2008, 78, 155424
44. Goniakowski, J.; Finocchi, F.; Noguera, C. Rep. Prog. Phys. 2008, 71, 016501
45. Torbrugge, S.; Ostendorf, F.; Reichling, M. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4909
46. Diebold, U.; Li, S. C.; Schmid, M. Oxide Surface Science. In Annual Review of Physical Chemistry; Annual Reviews: Palo Alto, CA, 2010; Vol. 61, pp 129-148.
47. Lauritsen, J. V.; Reichling, M. J. Phys.: Condens. Matter 2010, 22, 263001
48. Onsten, A.; Stoltz, D.; Palmgren, P.; Yu, S.; Gothelid, M.; Karlsson, U. O. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 11157
49. Lauritsen, J. V.; Porsgaard, S.; Rasmussen, M. K.; Jensen, M. C. R.; Bechstein, R.; Meinander, K.; Clausen, B. S.; Helveg, S.; Wahl, R.; Kresse, G.; Besenbacher, F. ACS Nano 2011, 5, 5987
50. Kohl, D.; Moorman, H.; Heiland, G. Surf. Sci. 1978, 73, 160-162
51. Moormann, H.; Kohl, D.; Heiland, G. Surf. Sci. 1980, 100, 302
52. Look, D. C.; Hemsky, J. W.; Sizelove, J. R. Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 2552
53. Lavrov, E. V.; Weber, J.; Borrnert, F.; Van de Walle, C. G.; Helbig, R. Phys. Rev. B 2002, 66, 165205
54. Tuomisto, F.; Ranki, V.; Saarinen, K.; Look, D. C. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 205502
55. Ozgur, U.; Alivov, Y. I.; Liu, C.; Teke, A.; Reshchikov, M. A.; Dogan, S.; Avrutin, V.; Cho, S. J.; Morkoc, H. J. Appl. Phys. 2005, 98, 041301
56. Tuomisto, F.; Saarinen, K.; Look, D. C.; Farlow, G. C. Phys. Rev. B 2005, 72 (8) 085206
57. Kohan, A. F.; Ceder, G.; Morgan, D.; Van de Walle, C. G. Phys. Rev. B 2000, 61, 15019
58. Van de Walle, C. G. Phys. Rev. Lett. 2000, 85, 1012
59. Oba, F.; Nishitani, S. R.; Isotani, S.; Adachi, H.; Tanaka, I. J. Appl. Phys. 2001, 90, 824
60. Zhang, S. B.; Wei, S. H.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2001, 63, 075205
61. Janotti, A.; Van de Walle, C. G. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 122102
62. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2005, 72, 035215
63. Patterson, C. H. Phys. Rev. B 2006, 74, 144432
64. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 045501
65. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2008, 78, 235104
66. Oba, F.; Togo, A.; Tanaka, I.; Paier, J.; Kresse, G. Phys. Rev. B 2008, 77, 245202
67. Clark, S. J.; Robertson, J.; Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2010, 81, 115311
68. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2010, 81, 113201
69. Janotti, A.; Van de Walle, C. G. Rep. Prog. Phys. 2009, 72, 126501
70. Janotti, A.; Van de Walle, C. G. Phys. Rev. B 2007, 76, 165202
71. Blochl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50 (24) 17953-17979
72. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77 (18) 3865-3868
73. Dudarev, S. L.; Botton, G. A.; Savrasov, S. Y.; Humphreys, C. J.; Sutton, A. P. Phys. Rev. B 1998, 57, 1505
74. Palacios, P.; Sanchez, K.; Wahnon, P. Thin Solid Films 2009, 517, 2448
75. Powell, R. A.; Spicer, W. E.; McMenami, Jc Phys. Rev. Lett. 1971, 27, 97
76. Powell, R. A.; Spicer, W. E.; McMenami, Jc Phys. Rev. B 1972, 6, 3056
77. Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8207
78. Heyd, J.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 2004, 121, 1187
79. Heyd, J.; Scuseria, G. E.; Ernzerhof, M. J. Chem. Phys. 2006, 124, 219906
80. Paier, J.; Marsman, M.; Hummer, K.; Kresse, G.; Gerber, I. C.; Angyan, J. G. J. Chem. Phys. 2006, 124, 154709
81. Marsman, M.; Paier, J.; Stroppa, A.; Kresse, G. J. Phys: Condens. Matter 2008, 20, 064201
82. Alkauskas, A.; Broqvist, P.; Pasquarello, A. Phys. Status Solidi B 2011, 248, 775
83. Janotti, A.; Van de Walle, C. G. Phys. Status Solidi B 2011, 248, 799
84. Kresse, G.; Furthmuller, J. Phys. Rev. B 1996, 54 (16) 11169-11186
85. Kresse, G.; Furthmuller, J. Comput. Mater. Sci. 1996, 6 (1) 15-50
86. Wander, A.; Schedin, F.; Steadman, P.; Norris, A.; McGrath, R.; Turner, T. S.; Thornton, G.; Harrison, N. M. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 3811
87. Zhang, S. B.; Northrup, J. E. Phys. Rev. Lett. 1991, 67, 2339
88. Wagner, C. D. In Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy; Seah, D. B. M. P., Ed.; Wiley: Chichester, U.K., 1983; pp 477-509.
89. Kisi, E. H.; Elcombe, M. M. Acta Crystallogr., Sect. C 1989, 45, 1867
90. Walsh, A.; Da Silva, J. L. F.; Yan, Y. F.; Al-Jassim, M. M.; Wei, S. H. Phys. Rev. B 2009, 79, 073105
91. Moormann, H.; Kohl, D.; Heiland, G. Surf. Sci. 1979, 80, 261
92. Reynolds, D. C.; Look, D. C.; Jogai, B.; Morkoc, H. Solid State Commun. 1997, 101, 643
93. Reynolds, D. C.; Look, D. C.; Jogai, B.; Van Nostrand, J. E.; Jones, R.; Jenny, J. Solid State Commun. 1998, 106, 701
94. Lin, B. X.; Fu, Z. X.; Jia, Y. B. Appl. Phys. Lett. 2001, 79, 943
95. Park, S. M.; Ikegami, T.; Ebihara, K. Thin Solid Films 2006, 513, 90
96. Lee, S.; Bang, S.; Park, J.; Park, S.; Jeong, W.; Jeon, H. Phys. Status Solidi A 2010, 207, 1845
97. Fan, H. B.; Yang, S. Y.; Zhang, P. F.; Wei, H. Y.; Liu, X. L.; Jiao, C. M.; Zhu, Q. S.; Chen, Y. H.; Wang, Z. G. Chin. Phys. Lett. 2007, 24, 2108
98. Chen, M.; Wang, X.; Yu, Y. H.; Pei, Z. L.; Bai, X. D.; Sun, C.; Huang, R. F.; Wen, L. S. Appl. Surf. Sci. 2000, 158, 134
99. Pugel, D. E.; Vispute, R. D.; Hullavarad, S. S.; Venkatesan, T.; Varughese, B. Appl. Surf. Sci. 2008, 254, 2220
100. Bie, X. F.; Wang, C. Z.; Ehrenberg, H.; Wei, Y. J.; Chen, G.; Meng, X.; Zou, G. T.; Du, F. Solid State Sci. 2010, 12, 1364