Ukrainian Journal of Physical Optics


2027 Volume 28, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

MAGNETIC AND OPTICAL BEHAVIOR OF Ce- AND Te- DOPED GaSb (110) SLABS FOR ADVANCED OPTOELECTRONIC APPLICATIONS

N.A. Ismailova, S. Asadullayeva, Sh. Amirov, A.S. Alekperov, A.N. Jafarova and Q.Y. Eyyubov

Author Information
1,2 *Ismailova, N.A. ORCID logo SCOPUS logo, 1,3,4Asadullayeva, S. ORCID logo SCOPUS logo, 5Amirov, Sh. SCOPUS logo, 6Alekperov, A.S. ORCID logo SCOPUS logo, 3Jafarova, A.N. ORCID logo SCOPUS logo, 1Eyyubov, Q.Y. ORCID logo SCOPUS logo,
1Institute of Physics, Ministry of Science and Education Republic of Azerbaijan, 131 H.Javid avenue, Baku, АZ-1143, Azerbaijan
2Azerbaijan University of Architecture and Construction, 26 Mammad Rahim Str., AZ-1073, Baku, Azerbaijan
3Azerbaijan State Oil and Industry University, 20 Azadliq Avenue, AZ-1010, Baku, Azerbaijan
4Khazar University, Department of Physics and Electronics, 41 Mehseti Str., Baku, Azerbaijan
5Department of Medical and Biological Physics, Azerbaijan Medical University, 165 Samad Vurgun Str., AZ-1022, Baku, Azerbaijan
6Baku Engineering University, Khirdalan, 120 Hasan Aliyev Str., AZ-0101, Baku, Azerbaijan
*Corresponding author: isnarmin106@gmail.com

ABSTRACT

We investigate the electronic, optical, and magnetic properties of finite-thickness GaSb(110) slabs doped with Ce, Te, and Ce+Te using first-principles calculations. The pristine 7-layer GaSb(110) slab has a calculated band gap of 0.76 eV. Ce doping narrows the gap to 0.64 eV and introduces occupied, localized Ce 4f states below the Fermi level, along with empty acceptor-like states near the gap, indicating acceptor-like electronic character. Te doping gives a band gap of 0.72 eV and shifts the Fermi level toward the conduction-band side, consistent with donor-like behavior. Ce+Te co-doping modifies the electronic structure through donor–acceptor compensation, while the magnetic behavior is mainly associated with Ce-derived states. The optical response shows doping-induced changes in the low-energy spectral region, which may relate to dopant-derived electronic states. Photoluminescence measurements of GaSb and Ce-doped GaSb nanocrystals under 785 nm excitation reveal a pronounced temperature dependence of the emission, with higher PL intensity at 70 K than at 300 K. Gaussian fitting of the photoluminescence (PL) spectra provides good agreement for GaSb (R2=0.954) at 70 K and (R2=0.964) at 300 K while the lower fitting quality for Ce-doped GaSb at 300 K (R2=0.939) reflects its more complex and asymmetric spectral profile. The main emission feature remains in the near-infrared region around 1530–1550 nm, whereas Ce incorporation primarily broadens and asymmetrizes the PL band. These changes may reflect modifications in carrier localization and recombination processes arising from dopant-related states, surface defects, and structural inhomogeneity. Because PL measurements were available only at 70 and 300 K, we did not attempt a quantitative activation-energy analysis. These results clarify how rare-earth and donor co-doping can tune the electronic, magnetic, and optical response of GaSb(110) slab models for optoelectronic and spintronic applications

Keywords: Magnetism, first-principles calculations, optoelectronic properties, bandgap engineering, co-doping

UDC: 538.9:548.73:535.37

    1. Dutta, P. S., Sangunni, K. S., Bhat, H. L., & Kumar, V. (1995). Electrical characterization of surface defects in GaSb created by hydrogen plasma. Applied Physics Letters, 66(15), 1986-1988.
      doi:10.1063/1.113299
    2. Facsko, S., Dekorsy, T., Koerdt, C., Trappe, C., Kurz, H., Vogt, A., & Hartnagel, H. L. (1999). Formation of ordered nanoscale semiconductor dots by ion sputtering. Science, 285(5433), 1551-1553.
      doi:10.1126/science.285.5433.1551
    3. Langer, J. P., & Dutta, P. S. (2003). Electron cyclotron resonance plasma etching of GaSb in Cl2/BCl3/CH4/Ar/H2 at room temperature. Journal of Vacuum Science & Technology B, 21(4), 1511-1512.
      doi:10.1116/1.1596215
    4. Milnes, A. G., & Polyakov, A. Y. (1993). Gallium antimonide device related properties. Solid-State Electronics, 36(6), 803-818.
      doi:10.1016/0038-1101(93)90002-8
    5. Zhao, C.-Z., Ren, H.-Y., Wei, T., Wang, S.-S., & Wang, J. (2018). A model for the energy band gap of GaSbₓAs₁₋ₓ and InSbₓAs₁₋ₓ in the whole composition range. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 115, 322-325.
      doi:10.1016/j.jpcs.2018.01.004
    6. Zhang, Y., Lu, L., Chen, Y., Shi, L., Chen, W., & Zhu, L. (2025). GaSb-based mid-wave computational multispectral infrared detectors based on photonic crystal plates. Optics Express, 33(2), 3373-3385.
      doi:10.1364/OE.546695
    7. Liang, Q., Ji, M. R., Wu, J. X., Ma, M. S., Liu, X. M., & Zhang, Y. H. (1997). Interaction of Ce overlayers with the GaSb(111) surface and oxidation of the Ce/GaSb interface. Applied Surface Science, 120(1-2), 165-170.
      doi:10.1016/S0169-4332(97)00240-7
    8. Olvera-Cervantes, J. L., Plaza, J. L., & Diéguez, E. (2009). The role of Ce dopant on the electrical properties of GaSb single crystals, measured by far-infrared Fourier transform spectroscopy. Semiconductor Science and Technology, 24(3), 035007.
      doi:10.1088/0268-1242/24/3/035007
    9. Chusovitin, E., Dotsenko, S., Chusovitina, S., Goroshko, D., Gutakovskii, A., Subbotin, E., Galkin, K., & Galkin, N. (2018). Formation of a thin continuous GaSb film on Si(001) by solid phase epitaxy. Nanomaterials, 8(12), 987.
      doi:10.3390/nano8120987
    10. Ismayilova, N. A., & Jahangirli, Z. A. (2025). Electronic, optical and magnetic properties of TM-doped CdTe nanosheet: First-principles calculations. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 626, 173079.
      doi:10.1016/j.jmmm.2025.173079
    11. Ismayilova, N. A. (2025). Room-temperature ferromagnetism in ZnTe nanosheet doped by transition metal atom. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 38, 80.
      doi:10.1007/s10948-025-06920-z
    12. Ismayilova, N. A., & Afsun, S. (2025). First-principles investigation of electronic, optical and magnetic properties of doped semiconductor nanostructures. Computational Condensed Matter, 45, e01119.
      doi:10.1016/j.cocom.2025.e01119
    13. Orujlu, N. A., Ismayilova, N. A., Ozisik, H., Deligoz, E., Aliyev, Y. I., Jabarov, S. H. (2026). Structural, electronic and optical properties of semiconductor nanomaterials: A first-principles study. Solid State Communications, 412, 116412.
      doi:10.1016/j.ssc.2026.116412
    14. Varsano, D., Giorgi, G., Yamashita, K., & Palummo, M. (2017). Role of quantum confinement in anatase nanosheets. The Journal of Physical Chemistry Letters, 8(16), 3867-3873.
      doi:10.1021/acs.jpclett.7b01717
    15. Tirado-Mejía, L., Villada, J. A., Ríos, M. de los, Peñafiel, J. A., Fonthal, G., Espinosa-Arbeláez, D. G., Ariza-Calderón, H., & Rodríguez-García, M. E. (2008). Optical and structural characterization of GaSb and Te-doped GaSb single crystals. Physica B: Condensed Matter, 403(18), 4027-4032.
      doi:10.1016/j.physb.2008.07.049
    16. Plaza, J. L., Hidalgo, P., Méndez, B., Piqueras, J., & Diéguez, E. (2002). Optical and electrical properties of GaSb crystals grown by different techniques. Materials Science and Engineering: B, 91-92, 529-533.
      doi:10.1016/S0921-5107(01)01065-0
    17. Synopsys QuantumATK. (2024). QuantumATK software package, version V-2023.12/W-2024.09. Synopsys Inc.
    18. Perdew, J. P., Burke, K., & Ernzerhof, M. (1996). Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters, 77(18), 3865-3868.
      doi:10.1103/PhysRevLett.77.3865
    19. Fabris, S., de Gironcoli, S., Baroni, S., Vicario, G., & Balducci, G. (2005). Taming multiple valency with density functionals: A case study of defective ceria. Physical Review B, 71, 041102(R).
      doi:10.1103/PhysRevB.71.041102
    20. Lu, D., Liu, P. (2014). Rationalization of the Hubbard U parameter in CeOx from first principles: unveiling the role of local structure in screening. The Journal of Chemical Physics, 140(8), 084101.
      doi:10.1063/1.4865831
    21. Ismayilova, N. A., Jabarov, S. H., & Guliyev, J. A. (2024). Half-metal ferromagnetism V-doped GaN nanosheet application in spintronic device. Ukrainian Journal of Physics, 69(10), 754-758.
      doi:10.15407/ujpe69.10.754
    22. Madatov, R. S., Alekperov, A., Nurmammadova, F., Ismayilova, N. A., & Jabarov, S. H. (2024). Structural and optical properties of semiconductor compounds. East European Journal of Physics, 1, 322-326.
      doi:10.26565/2312-4334-2024-1-29
    23. Asadullayeva, S. G., & Jahangirli, Z. A. (2025). Photoluminescence and magnetic properties of Nd-doped ZnGa2Se4. The European Physical Journal B, 98, 142.
      doi:10.1140/epjb/s10051-025-00990-7
    24. Asadullayeva, S. G., Jahangirli, Z. A., Musayev, M. A., Eyyubov, Q. Y., & Abiyev, A. S. (2025). Near-infrared photoluminescence from ZnIn2S4 layered single crystals. Physics of the Solid State, 67(6), 429-432.
      doi:10.1134/S1063783425601067
    25. Asadullayeva, S. G., Jahangirli, Z. A., Naghiyev, T. G., & Abiyev, A. S. (2025). Systematic analysis of the optical properties of ZnGa2Se4 single crystal. Current Applied Physics, 76, 39-44.
      doi:10.1016/j.cap.2025.05.007
    26. Roodenko, K., Liao, P.-K., Lan, D., Clark, K. P., Fraser, E. D., Frensley, P. W., Vargason, K. W., Kuo, J.-M., Kao, Y.-C., & Pinsukanjana, P. R. (2017). Development of n-type Te-doped GaSb substrates with low carrier concentration for FPA applications. Infrared Physics & Technology, 84, 38-42.
      doi:10.1016/j.infrared.2017.02.017
    27. Abbasov, I., Musayev, M., Gasymov, O., Huseynov, J., Naziyev, C., Askerov, D., Asadullayeva, S., Ismayilova, N., Mammadova, A., Hashimova, N., & Eminova, E. (2025). Influence of background impurities of oxygen and copper on the luminescence spectrum of polycrystalline CVD ZnSe with excess selenium. Nano, 20(14), 2550010.
      doi:10.1142/S1793292025500109
    28. Ismayilova, N., & Asadullayeva, S. (2024). Computationally predicted energies and properties of defects. Indian Journal of Physics, 98, 1103-1107.
      doi:10.1007/s12648-023-02858-x

    Ми дослідили електронні, оптичні та магнітні властивості пластин GaSb(110) скінченної товщини, легованих Ce-, Te- та Ce+Te, використовуючи розрахунки з перших принципів. Чиста 7-шарова пластина GaSb(110) має розрахункову ширину забороненої зони 0,76 еВ. Легування Ce звужує ширину забороненої зони до 0,64 еВ та вводить зайняті локалізовані 4f-стани Ce нижче рівня Фермі разом з порожніми акцепторно-подібними станами поблизу щілини, що вказує на акцепторно-подібний електронний характер. Легування Te дає ширину забороненої зони 0,72 еВ та зміщує рівень Фермі в бік зони провідності, що узгоджується з донорно-подібною поведінкою. Спільне легування Ce+Te модифікує електронну структуру шляхом донорно-акцепторної компенсації, тоді як магнітна поведінка в основному пов'язана зі станами, що походять від Ce. Оптичний відгук проявляє зміни, викликані легуванням, у спектральній області низьких енергій, які можуть бути пов'язані з електронними станами, що походять від легуючих домішок. Досліджена фотолюмінесценція нанокристалів GaSb та легованого Ce при збудженні 785 нм проявляє виражену температурну залежність, з вищою інтенсивністю фотолюмінесценції при 70 K, у порівнянні з 300 K. Гаусівська апроксимація спектрів фотолюмінесценції добре узгоджується для GaSb (R2=0,954) при 70 K та (R2=0,964) при 300 K, тоді як нижча якість апроксимації для легованого Ce GaSb при 300 K (R2=0,939) відображає його більш складний та асиметричний спектральний профіль. Основні особливості випромінювання проявляються в ближній інфрачервоній області близько 1530–1550 нм, тоді як включення Ce переважно розширює та асиметризує смугу фотолюмінесценції. Ці зміни можуть бути пов'язані з модифікаціями в процесах локалізації носіїв та рекомбінації, що виникають через стани, пов'язані з домішками, поверхневими дефектами та структурною неоднорідністю. Оскільки вимірювання фотолюмінесценції здійснювались лише при 70 та 300 K, кількісний аналіз енергії активації не проводився. Ці результати пояснюють, як спільне легування рідкісноземельними елементами та донорами може налаштувати електронну, магнітну та оптичну реакцію моделей плит GaSb(110) для оптоелектронних та спінтронних застосувань.

    Ключові слова: магнетизм, розрахунки з перших принципів, оптоелектронні властивості, інженерія забороненої зони, спільне легування

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0