Maestría en Ciencias Físicas · 2026

Influencia del dopaje con gadolinio y cerio sobre las propiedades estructurales y electrónicas del óxido de zinc Zn_{1-x}Gd_{x}O Zn_{1-x}Ce_{x}O

Resumen

El óxido de zinc ($ZnO$) es un semiconductor ampliamente estudiado por sus aplicaciones en fotocatálisis y optoelectrónica; sin embargo, su amplia banda prohibida y la rápida recombinación electrón–hueco limitan su eficiencia bajo luz visible. En este trabajo se estudió, mediante cálculos basados en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT), la influencia del dopaje con gadolinio ($Gd$) y cerio ($Ce$) sobre las propiedades estructurales y electrónicas del $ZnO$ en fase wurtzita, considerando diferentes concentraciones en los sistemas $Zn_{1-x}Gd_{x}O$ y $Zn_{1-x}Ce_{x}O$, con $x=0,125$, $x=0,0625$, $x=0,417$, $x=0,0313$, $x=0,0278$, $x=0,0185$, $x=0,0139$. Los cálculos fueron implementados utilizando el paquete computacional \textit{Quantum ESPRESSO}, empleando pseudopotenciales y el método de ondas planas. Los resultados muestran que la incorporación de $Gd$ y $Ce$ genera cambios en los parámetros de red $a$ y $c$, longitudes de enlace y ángulos de enlace. Además, ambos dopantes producen cambios significativos en la densidad de estados y en la posición del nivel de Fermi, favoreciendo la aparición de niveles electrónicos dentro de la brecha de energía. El $Gd$ introduce niveles electrónicos que incrementan la cantidad de trampas, mientras que el $Ce$ produce un estrechamiento más marcado del band gap y a una posición favorable del nivel de Fermi respecto a la banda de valencia, los estados proveniente de los orbitales $d$ introdujeron también niveles electrónicos en la región de la banda de conducción, desplazándola más al nivel de Fermi. En conjunto, los resultados demuestran que tanto el $Gd$ como el $Ce$ son dopantes capaces de modificar de manera controlada las propiedades estructurales y electrónicas del $ZnO$, potenciando su desempeño para aplicaciones y fotocatalíticas.