Origin of the bipolar doping behavior of SnO from X-ray spectroscopy and density functional theory

Chemistry of Materials

Volumn 25, Issue 15, 2013, Pages 3114-3123

  Quackenbush, N F ^a   Allen, J P ^b   Scanlon, D O ^c   Sallis, S ^d   Hewlett, J A ^a   Nandur, A S ^d   Chen, B ^e   Smith, K E ^e   Weiland, C ^f   Fischer, D A ^f   Woicik, J C ^f   White, B E ^a,d   Watson, G W ^b   Piper, L F J ^a,d  

^a BINGHAMTON UNIVERSITY   (United States)

^b TRINITY COLLEGE DUBLIN   (Ireland)

^c UNIVERSITY COLLEGE LONDON   (United Kingdom)

^d State University of New York   (United States)

^e USA   (United States)

^f NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY   (United States)

Author keywords

doping; electronic structure; SnO; transparent semiconducting oxides

Indexed keywords

HARD X-RAY PHOTOEMISSION SPECTROSCOPY; INDIRECT BAND GAP; OPTICAL TRANSPARENCY; SNO; TRANSPARENT SEMICONDUCTING OXIDE; VALENCE-BAND MAXIMUMS; VAN DER WAALS CORRECTION; X-RAY EMISSION AND ABSORPTION SPECTROSCOPIES;

DENSITY FUNCTIONAL THEORY; DOPING (ADDITIVES); ELECTRONIC STRUCTURE; ENERGY GAP; PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY; TRANSPARENCY; VAN DER WAALS FORCES; X RAY SPECTROSCOPY;

TIN;

EID: 84880547870     PISSN: 08974756     EISSN: 15205002     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cm401343a     Document Type: Article

References (119)

1. Thomas, G. Nature 1997, 389, 907
2. Kawazoe, H.; Yasakuwa, H.; Hyodo, H.; Kurita, M.; Yanagi, H.; Hosono, H. Nature 1997, 389, 939
3. Nomura, K.; Ohta, H.; Takagi, A.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H. Nature 2004, 432, 488
4. Fortunato, E.; Barquinha, P.; Martins, R. Adv. Mater. 2012, 24, 2945
5. Ogo, Y.; Hiramatsu, H.; Nomura, K.; Yanagi, H.; Kamiya, T.; Kimura, M.; Hirano, M.; Hosono, H. Phys. Status Solidi A 2009, 9, 2187
6. Hosono, H.; Ogo, Y.; Yanagi, H.; Kamiya, T. Electrochem. Solid State Lett. 2011, 14, H13-H16
7. Nomura, K.; Kamiya, T.; Hosono, H. Adv. Mater. 2011, 23, 3431
8. Singh, A. K.; Janotti, A.; Scheffler, M.; Van de Walle, C. G. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 055502
9. Kiliç, Ç.; Zunger, A. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 095501
10. Piper, L. F. J.; Colakerol, L.; King, P. D. C.; Schleife, A.; Zuniga-Perez, J.; Glans, P.-A.; Learmonth, T.; Federov, A.; Veal, T. D.; Fuchs, F.; Munoz-Sanjose, V.; Bechstedt, F.; McConville, C. F.; Smith, K. E. Phys. Rev. B 2008, 78, 165127-5
11. Jin, S.; Yang, Y.; Medvedeva, J. E.; Ireland, J. R.; Metz, A. W.; Ni, J.; Kannewurf, C. R.; Freeman, A. J.; Marks, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13787-12793
12. Jin, S.; Yang, Y.; Medvedeva, J. E.; Wang, L.; Li, S.; Cortes, N.; Ireland, J. R.; Metz, A. W.; Ni, J.; Hersam, M. C.; Freeman, A. J.; Marks, T. J. Chem. Mater. 2008, 20, 220-230
13. Yang, Y.; Jin, S.; Medvedeva, J. E.; Ireland, J. R.; Metz, A. W.; Ni, J.; Hersam, M. C.; Freeman, A. J.; Marks, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8796
14. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. Lett. 2007, 98, 045501
15. Janotti, A.; Van de Walle, C. G. Phys. Rev. B 2007, 76, 165202
16. Walsh, A.; Da Silva, J. L. F.; Wei, S. H.; Korber, C.; Klein, A.; Piper, L. F. J.; DeMasi, A.; Smith, K. E.; Panaccione, G.; Torelli, P.; Payne, D. J.; Bourlange, A.; Egdell, R. G. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 167402
17. King, P. D. C.; Lichti, R. L.; Celebi, Y. G.; Gil, M.; Vilao, R. C.; Alberto, H. V.; Duarte, P.; Payne, D. J.; Egdell, R. G.; McKenzie, I.; McConville, C. F.; Cox, S. F. J.; Veal, T. D. Phys. Rev. B 2009, 80, 081201(R)
18. King, P. D. C.; Veal, T. D.; Payne, D. J.; Bourlange, A.; Egdell, R. G.; McConville, C. F. Phys. Rev. Lett. 2008, 101, 116808
19. Medvedeva, J. E. Europhys. Lett. 2007, 78, 57004
20. Medvedeva, J. E.; Hettiarachchi, C. L. Phys. Rev. B 2010, 81, 125116
21. Walsh, A.; Da Silva, J. L. F.; Wei, S.-H. Chem. Mater. 2009, 21, 5119
22. Walsh, A.; Da Silva, J. L. F.; Wei, S. H. J. Phys.: Condens. Matter 2011, 23, 334210
23. Walsh, A.; Da Silva, J. L. F.; Yan, Y.; Al-Jassim, M. M.; Wei, S. H. Phys. Rev. B 2009, 79, 073105
24. Scanlon, D. O. Phys. Rev. B 2013, 87, 161201(R)
25. Peng, H.; Song, J. H.; Mitchell Hopper, E.; Zhu, Q.; Mason, T. O.; Freeman, A. J. Chem. Mater. 2012, 24, 106-114
26. Murat, A.; Adler, A. U.; Mason, T. O.; Medvedvea, J. E. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 5685-5692
27. Schirmer, O. F. J. Phys.: Condens. Matter 2006, 18, R667-R704
28. Lany, S.; Zunger, A. Phys. Rev. B 2009, 80, 085202
29. Stoneham, A. M.; Gavartin, J.; Shluger, A. L.; Kimmel, A. V.; Ramo, D. M.; Ronnow, H. M.; Aeppli, G.; Renner, C. J. Phys.: Condens. Matter 2007, 19, 255208
30. Varley, J. B.; Janotti, A.; Franchini, C.; Van de Walle, C. G. Phys. Rev. B 2012, 85, 081109(R)
31. Walsh, A.; Catlow, C. R. A.; Miskufova, M.; Sokol, A. A. J. Phys.: Condens. Matter 2011, 23, 334217
32. Scanlon, D. O.; Watson, G. W. J. Mater. Chem. 2012, 22, 25236
33. Burbano, M.; Scanlon, D. O.; Watson, G. W. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 15065-15072
34. Catlow, C. R. A.; Sokol, A. A.; Walsh, A. Chem. Commun. 2011, 47, 3386-3388
35. M., B. M.; Shokooh-Saremi, M. Semicond. Sci. Technol. 2004, 19, 764-769
36. Joseph, D. P.; Renugambal, P.; Saravanan, M.; Raja, S. P.; Venkateswaran, C. Thin Solid Films 2009, 517, 6129-6136
37. Chaparadza, A.; Rananavare, S. B. Nanotechnology 2010, 21, 035708
38. Pan, S. S.; Li, G. H.; Wang, L. B.; Shen, Y. D.; Wang, Y.; Mei, X.; Hu, T. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 222112
39. Bagheri-Mohagheghi, M. M.; Shokooh-Saremi, M. J. Phys. D: Appl. Phys. 2004, 37, 1248-1253
40. Ahmed, S. F.; Khan, S.; Ghosh, P. K.; Mitra, M. K.; Chattopadhyay, K. K. J. Sol-Gel Sci. Technol. 2006, 39, 241-247
41. Zhao, J.; Zhao, X. J.; Ni, J. M.; Tao, H. Z. Acta Mater. 2010, 58, 6243-6248
42. Yang, T.; Qin, X.; Wang, H.; Jia, Q.; Yu, R.; Wang, B.; Wang, J.; Ibrahim, K.; Jiang, X.; He, Q. Thin Solid Films 2010, 518, 5542-5545
43. Ji, Z.; L., Z.; He, Z. P.; Zhour, Q.; Chen, C. Mater. Lett. 2006, 60, 1387-1389
44. Mao, Q. N.; Ji, Z. G.; Zhao, L. N. Phys. Status Solidi B 2010, 247, 299-302
45. Scanlon, D. O.; Watson, G. W. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3195-3199
46. Scanlon, D. O.; Watson, G. W. J. Mater. Chem. 2011, 21, 3655-3663
47. Tate, J.; Ju, H. L.; Moon, J. C.; Zakutayev, A.; Richard, A. P.; Russell, J.; McIntyre, D. H. Phys. Rev. B 2009, 80, 165206
48. Scanlon, D. O.; Godinho, K. G.; Morgan, B. J.; Watson, G. W. J. Chem. Phys. 2010, 132, 024707
49. Scanlon, D. O.; Walsh, A.; Morgan, B. J.; Watson, G. W.; Payne, D. J.; Egdell, R. G. Phys. Rev. B 2009, 79, 035101
50. Scanlon, D. O.; Walsh, A.; Watson, G. W. Chem. Mater. 2009, 21, 4568-4576
51. Arnold, T.; Payne, D. J.; Bourlange, A.; Hu, J. P.; Egdell, R. G.; Piper, L. F. J.; Colakerol, L.; De Masi, A.; Glans, P.-A.; Smith, K. E. Phys. Rev. B 2009, 79, 075102
52. Ueda, K.; Hase, T.; Yanagi, H.; Kawazoe, H.; Hosono, H.; Ohta, H.; Orita, M.; Hirano, M. J. Appl. Phys. 2001, 89, 1790-1793
53. Yanagi, H.; Hase, T.; Ibuki, S.; Ueda, K.; Hosono, H. Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 1583-1585
54. Yanagi, H.; Inoue, S.-I.; Ueda, K.; Kawazoe, H.; Hosono, H.; Hamada, N. J. Appl. Phys. 2000, 88, 4059-4163
55. Nie, X.; Wei, S. H.; Zhang, S. B. Phys. Rev. Lett. 2002, 88, 066405
56. Shin, D.; Foord, J. S.; Payne, D. J.; Arnold, T.; Aston, D. J.; Egdell, R. G.; Godinho, K. G.; Scanion, D. O.; Morgan, B. J. Phys. Rev. B 2009, 80, 233105
57. Nie, X. L.; Wei, S. H.; Zhang, S. B. Phys. Rev. B 2002, 65, 075111
58. Kudo, A.; Yanagi, H.; Hosono, H.; Kawazoe, H. Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 220-222
59. Godinho, K. G.; Watson, G. W.; Walsh, A.; Green, A. J. H.; Payne, D. J.; Harmer, J.; Egdell, R. G. J. Mater. Chem. 2008, 18, 2798-2806
60. Godinho, K. G.; Carey, J. J.; Morgan, B. J.; Scanlon, D. O.; Watson, G. W. J. Mater. Chem. 2010, 20, 1086-1096
61. Robertson, J.; Clark, S. J. Phys. Rev. B 2011, 83, 075205
62. Walukiewicz, W. Physica B 2001, 302, 123-134
63. Tersoff, J. Phys. Rev. B 1985, 32, 6969-6971
64. Mönch, W. Semiconductor Surfaces and Interfaces, 3rd ed.; Springer: New York, 2001.
65. Ogo, Y.; Hiramatsu, H.; Nomura, K.; Yanagi, H.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H. Appl. Phys. Lett. 2008, 93, 032113
66. Togo, A.; Obe, F.; Tanaka, I.; Tatsumi, K. Phys. Rev. B 2006, 74, 195128
67. Allen, J. P.; Scanlon, D. O.; Parker, S. C.; Watson, G. W. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19916-19924
68. Walsh, A.; Payne, D. J.; Egdell, R. G.; Watson, G. W. Chem. Rev. Soc. 2011, 40, 4455
69. Watson, G. W.; Parker, S. C. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 1258-1262
70. Watson, G. W.; Parker, S. C.; Kresse, G. Phys. Rev. B 1999, 59, 8481-8486
71. Adamo, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 1999, 110, 6158-6170
72. Ernzerhof, M.; Scuseria, G. E. J. Chem. Phys. 1999, 110, 5029-5036
73. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865-3868
74. Wilson, M.; Madden, P.; Peebles, S. A.; Fowler, P. W. Mol. Phys. 1996, 88, 1143-1153
75. Bernasconi, L.; Wilson, M.; Madden, P. A. Comput. Mater. Sci. 2001, 22, 94-98
76. Moreno, M. S.; Mercader, R. C. Phys. Rev. B 1994, 50, 9875-9881
77. Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1994, 49, 14251-14271
78. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169-11186
79. Blöchl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953
80. Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758-1775
81. Murnaghan, F. D. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1944, 30, 244-247
82. Allen, J. P.; Scanlon, D. O.; Parker, S. C.; Watson, G. W. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19916
83. Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188-5192
84. Gajdos, M.; Hummer, K.; Kresse, G.; Furthmüller, J.; Bechstedt, F. Phys. Rev. B 2006, 73, 045112
85. Adolph, B.; Furthmüller, J.; Beckstedt, F. Phys. Rev. B 2001, 63, 125108
86. Ramos, L. E.; Paier, J.; Kresse, G.; Bechstedt, F. Phys. Rev. B 2008, 78, 195423
87. Paier, J.; Marsman, M.; Kresse, G. Phys. Rev. B 2008, 78, 121201
88. Scanlon, D. O.; Watson, G. W. Chem. Mater. 2009, 21, 5435-5442
89. Allen, J. P.; Scanlon, D. O.; Watson, G. W. Phys. Rev. B 2011, 84, 115141
90. Scanlon, D. O.; Kehoe, A. B.; Watson, G. W.; Jones, M. O.; David, W. I. F.; Payne, D. J.; Egdell, R. J.; Edwards, P. P.; Walsh, A. Phys. Rev. Lett. 2011, 107, 246402
91. Kehoe, A. B.; Scanlon, D. O.; Watson, G. W. Phys. Rev. B 2011, 83, 233202
92. Watson, G. W.; Kelsey, E. T.; de Leeuw, N. H.; Harris, D. J.; Parker, S. C. J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1996, 92, 433-438
93. Guo, W.; Fu, L.; Zhang, Y.; Zhang, K.; Liang, L. Y.; Liu, Z. M.; Cao, H. T.; Pan, X. Q. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 042113
94. Liang, L. Y.; Liu, Z. M.; Cao, H. T.; Q.Pan, X. ACS Appl. Mater. Interfaces 2010, 4, 1060
95. Hanys, P.; Janecek, P.; Matolin, V.; Korotcenkov, G.; Nehasil, V. Surf. Sci. 2006, 600, 4233
96. Piper, L. F. J.; DeMasi, A.; Smith, K. E.; Schleife, A.; Fuchs, F.; Bechstedt, F.; Zuniga-Perez, J.; Munoz-Sanjose, V. Phys. Rev. B 2008, 77, 125204
97. Schleife, A.; Fuchs, F.; Furthmüller, J.; Bechstedt, F. Phys. Rev. B 2006, 73, 245212
98. Watson, G. W. J. Chem. Phys. 2001, 114, 758-763
99. Walsh, A.; Watson, G. W. J. Solid State Chem. 2005, 178, 1422-1428
100. Walsh, A.; Watson, G. W. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 18868
101. Payne, D. J.; Egdell, R. G.; Walsh, A.; Watson, G. W.; Guo, J. H.; Glans, P. A.; Learmonth, T.; Smith, K. E. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 157403
102. Payne, D. J.; Egdell, R. G.; Law, D. S. L.; Glans, P. A.; Learmonth, T.; Smith, K. E.; Guo, J. H.; Walsh, A.; Watson, G. W. J. Mater. Chem. 2007, 178, 1422-1428
103. Ueda, K.; Takafuji, K.; Hiramatsu, H.; Ohta, H.; Kamiya, T.; Hirano, M.; Hosono, H. Chem. Mater. 2003, 15, 3692
104. Piper, L. F. J.; DeMasi, A.; Cho, S. W.; Preston, A. R. H.; Fuchs, K. E. S. F.; Bechstedt, F.; Koerber, C.; Klein, A.; Payne, D. J.; Egdell, R. G. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 022105
105. Payne, D. J.; Robinson, M. D. M.; Edgell, R. G.; Walsh, A.; McNulty, J.; Smith, K. E.; Piper, L. F. J. Appl. Phys. Lett. 2011, 98, 212110
106. J. A. McLoed, N. A. S.; Finkelstein, L. D.; Kurmaev, E. Z.; Moewes, A. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 24248
107. Sharma, S.; Dewhurst, J. K.; Amrosch-Draxl, C. Phys. Rev. Lett. 2005, 95, 136402
108. Bechstedt, F.; Fuchs, F.; Kresse, G. Phys. Status Solidi B 2009, 246, 1877
109. McGuinness, C.; Stagarescu, C. B.; Ryan, P. J.; Downes, J. E.; Fu, D.; Smith, K. E.; Egdell, R. G. Phys. Rev. B 2003, 68, 165104
110. Piper, L. F. J.; Veal, T. D.; Jefferson, P. H.; McConville, C. F.; Fuchs, F.; FurthmÃijller, J.; Bechstedt, F.; Lu, H.; Schaff, W. J. Phys. Rev. B 2005, 72, 245319
111. Piper, L.; Colakerol, L.; Learmonth, T.; Smith, K.; Fuchs, F.; FurthmÃijller, J.; Bechstedt, F.; Chen, T.; Moustakas, T.; Guo, J. Phys. Rev. B 2007, 76, 245204
112. Preston, A. R. H.; Ruck, B. J.; Piper, L. F. J.; DeMasi, A.; Smith, K. E.; Schleife, A.; Fuchs, F.; Bechstedt, F.; Chai, J.; Durbin, S. M. Phys. Rev. B 2008, 78, 155114
113. Lim, L. Y.; Lany, S.; Chang, Y. J.; Rotenberg, E.; Zunger, A.; Toney, M. F. Phys. Rev. B 2012, 86, 235113
114. Sallis, S.; Piper, L. F. J.; Francis, J.; Tate, J.; Hiramatsu, H.; Kamiya, T.; Hosono, H. Phys. Rev. B 2012, 85, 085207
115. Zhang, L.; Schwertfager, N.; Cheiwchanchamnangij, T.; Lin, X.; Glans-Suzuki, P.-A.; Piper, L. F. J.; Limpijumnong, S.; Luo, Y.; Zhu, J. F.; Lambrecht, W. R. L.; Guo, J.-H. Phys. Rev. B 2012, 86, 245430
116. Payne, D. J.; Paolicelli, G.; Panaccione, F. O. G.; Lacovig, P.; Beamson, G.; Fondacaro, A.; Monaco, G.; Vanko, G.; Edgell, R. G. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2009, 169, 26
117. Yeh, J. J.; Lindau, I. Atomic Data and Nuclear Data Tables 1985, 32, 1
118. Dallera, C.; Duo, L.; Braicovich, L.; Panaccione, G.; Paolicelli, G.; Cowie, B.; Zegenhagen, J. Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 4532-4534
119. Klein, A. J. Am. Ceram. Soc. 2013, 96, 331-345