Abstract In the present work the structural, electronic and optical properties of pure CaZrO3 have been tuned by the magnesium (Mg) doping concentrations (1.41%, 2.82% and 4.23%) by first-principles computation, based on the density functional theory (DFT), implemented within the CASTEP code with Perdew-Burke-Ernzerhof-Generalized-Gradient-Approximations (PBE-GGA) exchange correlation functional and USP (ultra-soft pseudo-potential). From structural results optimized lattice parameters and unit cell volume are obtained, well in match with literature, and with 4.23% doping concentration of Mg structural phase transformation, cubic to pseudo-cubic tetragonal, along with a noticeable influence on electronic band gap squeezing, with the appearance of new k-symmetry points at Brillouin zone, is observed. Electronic band structure shows that with, 1.41% and 2.82% doping concentration of Mg, the indirect band gap of host changes to direct one while with 4.23% doping concentration it remains same and value of host band gap is reduced from 3.279eV to 2.189eV. The phase transformation and reduction of band gap is explained with partial and total density of sates and have great influence on the optical properties. Analysis of optical properties with Mg doping reveals that the absorption edges of the doped CaZrO3 show the red shift (1.9eV–0.65eV) whereas the static refractive index almost remain same. Electron energy loss spectra is observed to be consistent with absorption spectra. The doping of Mg concentration changes positively in electronic and optical properties and it would be very potential candidate for optoelectronic applications.

中文翻译：

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镁掺杂 CaZrO3 钙钛矿的第一性原理计算：光电应用的相变、带隙工程和光学响应研究

摘要 在目前的工作中，基于密度泛函理论 (DFT)，通过第一性原理计算，通过镁 (Mg) 掺杂浓度（1.41%、2.82% 和 4.23%）调整了纯 CaZrO3 的结构、电子和光学性质。 )，在 CASTEP 代码中使用 Perdew-Burke-Ernzerhof-Generalized-Gradient-Approximations (PBE-GGA) 交换相关函数和 USP（超软伪电位）实现。从结构结果中得到优化的晶格参数和晶胞体积，与文献完全吻合，Mg 结构相变的掺杂浓度为 4.23%，立方到伪立方四方，同时对电子带隙压缩有显着影响，与观察到在布里渊区出现新的 k 对称点。电子能带结构表明, 1. 41%和2.82%的Mg掺杂浓度，主体的间接带隙变为直接带隙，而4.23%的掺杂浓度保持不变，主体带隙值从3.279eV减小到2.189eV。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。主体的间接带隙变为直接带隙，而掺杂浓度为 4.23% 时保持不变，主体带隙值从 3.279eV 减小到 2.189eV。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。主体的间接带隙变为直接带隙，而掺杂浓度为 4.23% 时保持不变，主体带隙值从 3.279eV 减小到 2.189eV。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。23% 的掺杂浓度保持不变，主体带隙值从 3.279eV 降低到 2.189eV。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。23% 的掺杂浓度保持不变，主体带隙值从 3.279eV 降低到 2.189eV。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。相变和带隙的减小可以用部分和总的状态密度来解释，并且对光学性能有很大影响。Mg 掺杂的光学特性分析表明，掺杂 CaZrO3 的吸收边缘显示红移 (1.9eV–0.65eV)，而静态折射率几乎保持不变。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。观察到电子能量损失谱与吸收谱一致。Mg 浓度的掺杂在电子和光学性质方面发生了积极的变化，这将是光电应用的非常潜在的候选者。