Popovych A. Influence of 3d transition metal impurities on the structural, optical, and magnetic properties of bulk crystals and thin films of AIIBVI semiconductors.

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0826U004829

Thesis Registration Form

0826U004829.pdf

Applicant for

Andrii V. Popovych

Specialization

105 - Прикладна фізика та наноматеріали

Date of defense

18-08-2026

Specialized Academic Board

PhD 15643

Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University

Essay

SUMMARY Popovych A.V. Influence of 3d transition metal impurities on the structural, optical, and magnetic properties of bulk crystals and thin films of AIIBVI semiconductors. – Qualification: scholarly paper; a manuscript. Thesis submitted to obtain the Doctor of Philosophy degree in Natural Sciences, Specialty 105 – Applied Physics and Nanomaterials – Drohobych Ivan Franko State Pedagogical University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Drohobych, 2026. The dissertation investigates the effects of doping with 3d transition-metal impurities on the structural, optical, magnetic properties, and phase-composition of bulk CdTe crystals and ZnO thin films. The technology of charge synthesis and subsequent growth of cadmium telluride crystals by the physical vapor transport method was modified, enabling the reproducible growth of heavily Cr-doped CdTe single crystals. Single-crystalline CdTe samples were implanted with 500 keV Cr⁺ ions at high fluences, resulting in the formation of dopant-enriched near-surface layers. The growth conditions and technological parameters were optimized for the preparation of CdTe and ZnO thin films with Mn2+, Cr2+, Co2+, and Ni2+ ions incorporated into their crystal lattices by pulsed laser deposition and ion-plasma sputtering on various substrates. The equilibrium solubility limit of Cr in CdTe during vapor-phase crystal growth was determined. Exceeding this limit was found to induce crystallographic phase separation and the formation of an ordered system of quasi-two-dimensional monoclinic Cr3Te4 precipitates embedded in the CdTe matrix during post-growth cooling. High-fluence Cr⁺ ion implantation was shown to induce the formation of surface relief and a significant increase in the surface roughness of CdTe, along with the formation of nanoscale monoclinic Cr3Te4 precipitates in the near-surface region, without inducing amorphization. Optimal thermodynamic conditions and technological parameters for the fabrication of CdTe and ZnO thin films with Mn2+, Cr2+, Co2+, and Ni2+ ions incorporated into the crystal lattice have been established experimentally using pulsed laser ablation and ion-plasma sputtering on various substrates. It was found that heavy Cr doping significantly alters the optical extinction mechanisms in CdTe crystals, leading to the rearrangement of the point-defect system and the formation of secondary phases. Within the framework of the Bonch-Bruevich theory, the broadening of the Urbach absorption tail caused by the fluctuating electric field of randomly distributed charged point defects in the CdTe crystal lattice was quantitatively described, and the effective concentration of these defects was determined. It was shown that optical extinction in the mid- and far-infrared spectral regions is governed by light scattering from secondary Cr3Te4 phases, whereas in the near-infrared region an additional contribution arises from selective absorption associated with intracenter transitions of substitutional Cr2+ ions. The concentration of these ions was determined as a function of the doping level. The absorption spectra of CdTe and ZnO thin films doped with 3d transition-metal ions were analyzed near the fundamental absorption edge. The observed spectral features were attributed to the s,p–d exchange interaction. Based on these results, the compositional dependence of the band gap was determined. It was shown that magnetic ordering in both Cr-doped bulk CdTe crystals and Cr⁺-implanted CdTe is predominantly governed by ferromagnetic Cr3Te4 nanoprecipitates, with a contribution from the Cd1-xCrxTe matrix. Spatial magnetic inhomogeneity of these materials, as well as the magnetocrystalline anisotropy of CdTe:Cr crystals arising from the presence of secondary phases, were revealed. Room-temperature ferromagnetic ordering was observed in Zn1-xCoxO and Zn1-xNixO thin films prepared by ion-plasma sputtering. Keywords: CdTe, ZnO, single crystals, thin films, doping, 3d elements, magnetism, optical properties, impurities, ion implantation, structural defects, precipitation, morphology, absorption, electron paramagnetic resonance.

Thesis supervisor

Ihor D. Stolyarchuk

Official opponents

Lyubomyr I. Nykyruy
Zinoviia F. Tsybrii
Yaroslav M. Chornodolskyy

Reviewers

Taras S. Kavetskyi

Research papers

1. Stolyarchuk I. Structural, optical and magnetic studies of the thin films and nanoparticles of ZnCoO prepared by pulsed laser ablation / I. Stolyarchuk, O. Kuzyk, I. Stefanuik, O. Dan'kiv, A. Popovych, A. Stolyarchuk // Physics and Chemistry of Solid State. – 2026. – V. 27, No. 2. – P. 409−419.

2. Stolyarchuk I. Growth of Zn1-xNixO thin films and their structural, optical and magneto-optical properties / I. Stolyarchuk, O. Kuzyk, O. Dan’kiv, A. Dziedzic, G. Kleto, A. Stolyarchuk, A. Popovych, I. Hadzaman // Coatings. – 2023. – V. 13, No. 3. – P. 601 (13 pp.). (Scopus, Web of Science, Q2).

3. Popovych A.V. Infrared extinction in heavily doped CdTe:Cr single crystals at room temperature / A.V. Popovych, V.D. Popovych, P. Potera, L.V. Orshanskyi, I.D. Stolyarchuk // Semiconductor Science and Technology. – 2025. – V. 40, No. 8. – P. 085001 (12 pp.). (Scopus, Web of Science, Q3).

4. Popovych A.V. Structural, morphological, and compositional evolution of chemically polished CdTe surfaces under heavy Cr+ ion implantation / A.V. Popovych, V.D. Popovych, R. Mroczka, P. Dluzewski, M. Gołębiowski, P. Sagan, P. Dróżdż, Y.V. Pavlovskyy, I.I. Demkiv, R. Zdyb, M. Kuzma, I.D. Stolyarchuk // Applied Surface Science. – 2026. – V. 739. – P. 166947 (15 pp.). (Scopus, Web of Science, Q1).

5. Столярчук І.Д., Грицьків Т.В., Попович А.В., Прийма Ю.А. Оптичні та магнітооптичні властивості наночастинок Zn1-xMexO (Me: Mn, Co), отриманих методом імпульсної лазерної абляції в рідині. Матеріали наукового семінару “Оптика і спектроскопія кристалів”, присвяченого 150-річчю кафедри експериментальної фізики Львівського національного університету імені Івана Франка, 8 грудня 2022 року, Львів, Україна, с. 49–51.

6. Маркіян Бац, Андрій Попович, Ігор Столярчук. Тонкі плівки ZnNiO: одержання та структурні властивості. Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції студентів та викладачів факультету фізики, математики, економіки та інноваційних технологій “Актуальні проблеми сучасної науки”, 10–11 травня 2023 року, Дрогобич, Україна – с. 90–91.

7. Stolyarchuk I.D., Popovych V.D., Kuzyk O.V., Dan’kiv O.O., Popovych A.V., Stolyarchuk A.I. Structural, optical, and magneto-optical properties of Mn-doped II-VI-based diluted magnetic semiconductor nanoparticles. Abstract book of the International research and practice conference “Nanotechnology and nanomaterials” (NANO-2023), August 16–19, 2023, Bukovel, Ukraine – p. 94.

8. Popovych V.D., Dluzewski P., Morawiec K., Zajkowska W., Stolyarchuk I.D., Hadzaman I.V., Popovych A.V., Żywczak A.,Kuzma M., Shiojiri M. Magnetism of highly doped CdTe:Cr crystals with self-assembled doping-induced nanoprecipitates. Abstract book of the International research and practice conference “Nanotechnology and nanomaterials” (NANO-2023), August 16–19, 2023, Bukovel, Ukraine – p. 568.

9. Popovych V.D., Dluzewski P., Morawiec K., Zajkowska W., Popovych A.V., Stolyarchuk I.D., Hadzaman I.V., Żywczak A., Kuzma M., Shiojiri M. Doping-induced phase separation in (Cd,Cr)Te magnetic materials. ХІХ International Freik Conference on Physics and Technology of Thin Films and Nanosystems, October 09−14, 2023, Ivanо-Frankivsk, Ukraine – p. 45.

10. Віталій Ковалів, Олег Бачинський, Андрій Попович, Андрій Столярчук. Структурні та оптичні дослідження тонких плівок ZnCoO. Матеріали XI Міжнародної науково-практичної конференції студентів та викладачів факультету фізики, математики, економіки та інноваційних технологій “Актуальні проблеми сучасної науки”, 25–26 квітня 2024 року, Дрогобич, Україна – с. 188–189.

11. Андрій Попович, Олесь Зубрицький, Юрій Павловський, Володимир Попович. Вплив легування хромом на дефектну структуру та механічні властивості монокристалів CdTe, вирощених з газової фази. Матеріали XI Міжнародної науково-практичної конференції студентів та викладачів факультету фізики, математики, економіки та інноваційних технологій “Актуальні проблеми сучасної науки”, 25–26 квітня 2024 року, Дрогобич, Україна – с. 212–214.

12. Володимир Попович, Андрій Попович, Ігор Столярчук, Роман Пецкович. Вплив сильного легування на ІЧ-пропускання монокристалів CdTe. Матеріали XI Міжнародної науково-практичної конференції студентів та викладачів факультету фізики, математики, економіки та інноваційних технологій “Актуальні проблеми сучасної науки”, 25–26 квітня 2024 року, Дрогобич, Україна – ст. 215–217.

13. Popovych V.D., Dluzewski P., Morawiec K., Zajkowska W., Popovych A.V., Stolyarchuk I.D., Żywczak A., Kuzma M., Shiojiri M. Doping-induced extrinsic magnetism in CdTe:Cr crystals. Proceedings of the XI-th International Conference “Topical Problems of Semiconductors Physics”. Drohobych, Ukraine, May 27−31, 2024 – p. 20.

14. Popovych A.V., Rehei M.A., Shakleina I.O., Popovych V.D. Doping-induced second phases in vapour-grown CdTe crystals. Proceedings of the XI-th International Conference “Topical Problems of Semiconductors Physics”. Drohobych, Ukraine, May 27−31, 2024 – p. 23.

15. Stolyarchuk A.I., Popovych A.V., Hadzaman I.V., Kuzyk O.V. Optical characteristics of ZnMnO nanoparticles prepared by ball milling technique. Proceedings of the XI-th International Conference “Topical Problems of Semiconductors Physics”. Drohobych, Ukraine, May 27-31, 2024 – p. 69.

16. Sagan P., Popovych V., Popovych A., Dłużewski P., Kopia A., Parlińska M. The effect of the laser wavelength on the ablation of the (Cd,Cr)Te and CrTe material. Book of Abstracts of XI Conference of Nanotechnology. Lublin, Poland, June 30 – July 5, 2024 – p.104.

17. I.D. Stolyarchuk, V.D. Popovych, A.V. Popovych, P. Dluzewski, W. Zajkowska, A. Żywczak, M. Kuzma, M. Shiojiri. Magnetism of highly doped CdTe:Cr crystals with quasi-2D dopant-related precipitates. Program & book of abstracts of Workshop “Magnetism for Ukraine Initiative” of IEEE Magnetics Society, November 14, 2024, Kyiv, Ukraine – p. 39−40.

18. А.В. Попович, В.Д. Попович, P. Potera, І.Д. Столярчук. Інфрачервоне гасіння у сильнолегованих монокристалах CdTe:Cr за кімнатної температури. Збірник тез конференції молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання – 2025” з міжнародною участю, 3–4 квітня 2025 року, Київ, Україна. – ст. 43–44.

19. V.D. Popovych, A.V. Popovych, R. Böttger, R. Heller, R. Mroczka, P. Dluzewski, A. Żywczak, P. Sagan, M. Kuzma. Structure, phase composition and magnetism of CdTe crystals implanted with high fluence of Cr+ ions. II Międzynarodowa Konferencja “Bezpieczeństwo Energetyczno-Ekologiczne Surowców Rozproszonych” (Książka Abstraktów), 25 kwietnia 2025 r., Stalowa Wola, Polska – str. 59−60.

20. Андрій Попович, Володимир Попович, Ігор Зінько, Marian Kuzma. Вплив легування галогенами на оптичні спектри пропускання монокристалів CdTe. Матеріали XII Міжнародної науково-практичної конференції студентів та викладачів факультету фізики, математики, економіки та інноваційних технологій “Актуальні проблеми сучасної науки”, 6–7 травня 2025 року, Дрогобич, Україна – ст. 134–137.

21. I. Stolyarchuk, O. Kuzyk, O. Dan’kiv, A. Stolyarchuk, A. Popovych, O, Bachynskyi. Structural, optical and magneto-optical properties of ZnMeO (Me – Mn, Co, Ni) thin films. Тези доповідей X Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН-10, 26–30 травня 2025 року, Ужгород, Україна – ст. 153–154.

24. А.В. Попович, В.Д. Попович, R. Mroczka, P. Sagan, І.Д. Столярчук, В.Р. Карпій, M. Kuzma. Дослідження поверхні монокристалічного CdTe, імплантованих іонами хрому. Тези доповідей X Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН-10, 26–30 травня 2025 року, Ужгород, Україна – ст. 388−389.

25. Stolyarchuk, I.D., Kuzyk O.V., Stefanuik I., Dan’kiv O.O., Popovych A.V., Zdyb R., Bachynsky O.I., Stolyarchuk A.I. Structural, optical and magnetic studies of ZnCoO thin films and nanoparticles. ХХ International Freik Conference on Physics and Technology of Thin Films and Nanosystems, October 6-10, 2025, Ivano-Frankivsk, Ukraine – p. 114.

. Stolyarchuk, O. Kuzyk, A. Stolyarchuk, V. Popovych, O. Dan’kiv, A. Popovych, O. Bachynskyi. Magneto-optical studies of low-dimensional structures of CdMnTe prepared by pulsed laser deposition. Materials of the international scientific and technical сonference ”Laser Technologies. Lasers and Their Application” (LTLA-2025), June 26-27, 2025, Truskavets, Ukraine – p. 29.

30. Popovych A.V., Popovych V.D., Stolyarchuk I.D. Heavy Cr doping and phase separation in CdTe single crystals. Materials of XIІ International Conference “Topical Problems of Semiconductor Physics”, May 25−28, 2026, Drohobych, Ukraine – p. 21−22.

Files

autoreferat-АНОТАЦІЯ Поповича А-В-.docx

dysertacziya-popovych-a.pdf

Similar theses

0826U005293

Svitlana S. Hrankina

Spectral Properties and Photostability of Cyanine Dye Aggregates in Biological and Liquid-Crystal Media

0826U005294

Danylo Y. Martynov

Promising nanostructures for electrochemiluminescent sensors

0826U005112

Serhii P. Mamotenko

Nonparametric Analysis of Response Signal Spectra for the Recovery of Magnetic Resonance Imaging Data.

0826U004824

Oles I. Matskiv

Kinetics of photo-stimulated structural transformations in epoxy polymer materials for biosensor applications.

0826U004817

Serhii Dolhov-Hordiichuk

The electrical transport and magnetoresistive properties of thin-film materials based on Fe or FeNi and silicon oxides