Προσομοίωση σχηματισμού νανοκρυστάλλων νιτριδίου του γαλλίου σε άμορφη μήτρα διοξειδίου του πυριτίου με τη μέθοδο μοριακής δυναμικής
Creators: name: Καρακώστας, Ιωάννης Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Νανοκρύσταλλοι
Νιτρίδιο του γαλλίου
Μοριακή Δυναμική
Nanoclusters formation
Gallium Nitride (GaN)
Molecular Dynamics

description: Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν η προσομοίωση σχηματισμού νανοκρυστάλλων νιτριδίου του γαλλίου, σε άμορφη μήτρα διοξειδίου του πυριτίου. Το νιτρίδιο του γαλλίου είναι ημιαγωγός τύπου ΙΙΙ/V άμεσου ευρέως χάσματος 3.4eV. Κρυσταλλώνεται σε δομή βουρτσίτη και χρησιμοποιείται ευρέως σε διατάξεις εκπομπής φωτός και σε εφαρμογές όπτο- και μικρόελεκτρονικής. Μία από τις χρησιμοποιούμενες μεθόδους ανάπτυξης νιτριδίου του γαλλίου αποτελεί η εμφύτευση ιόντων ακολουθούμενη από κατάλληλη αναθέρμανση. Η χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η μοριακή δυναμική, και το δυναμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το Tersoff. Το άμορφο διοξείδιο του πυριτίου, επιλέγεται ως μήτρα επειδή είναι διαφανές, συνεπώς επιτρέπει την εκπομπή φωτός. Η μελέτη ξεκινά με την δημιουργία της κρυσταλλικής μήτρας διοξειδίου του πυριτίου και ακολουθεί η αμορφοποίηση του σε θερμοκρασία 5300Κ, με χρήση του θερμοστάτη Nose-Hoover ώστε η θερμοκρασία να διατηρείται αυστηρά στην επιθυμητή τιμή. Το πέρας της αμορφοποίησης, ακολουθεί η δημιουργία κενών με διαγραφή τυχαίων ατόμων πυριτίου και οξυγόνου από την αμορφοποιημένη μήτρα. Στη συνέχεια, ακολουθεί η εναπόθεση των ατόμων γαλλίου και αζώτου μέσα στη μήτρα σε τυχαίες θέσεις. Αυτό κρίνεται απαραίτητο, γιατί πειραματικά τα κενά αυτά δημιουργούνται λόγω της μεγάλης ενέργειας που έχουν τα ιόντα κατά την εμφύτευση τους στη μήτρα, οπότε εκτοξεύουνε άτομα από τη μήτρα. Στην παρούσα εργασία, η εμφύτευση προσομοιώθηκε με εναπόθεση ατόμων γαλλίου και αζώτου στο άμορφο πλέγμα, σε τυχαίες θέσεις συνεπώς κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία κενών. Μετά την εναπόθεση των ατόμων, ακολούθησε η αναθέρμανση της δομής σε διάφορες θερμοκρασίες, και μετά την αφηρέμηση της εξήχθησαν τα εκάστοτε αποτελέσματα. Παράμετροι που εξετάσθηκαν ενδελεχώς αποτελούν • η συγκέντρωση των κενών με αρχική τιμή 0.005% και 0.01% των ατόμων πυριτίου και οξυγόνου αντίστοιχα, έως 10% και 20% αντίστοιχα • η συγκέντρωση των εμφυτευμένων ατόμων γαλλίου και αζώτου που αρχικά ήταν ίση με 0.01% και 0.02% των ατόμων πυριτίου και οξυγόνου αντίστοιχα • η θερμοκρασία αναθέρμανσης με αρχική θερμοκρασία ίση με 700Κ έως την τελική θερμοκρασία των 1500Κ • ο χρόνος αναθέρμανσης της δομής από 1ns έως 4ns καθώς και ο συνδυασμός τους. Μέχρι την θερμοκρασία των 1300Κ και για συγκέντρωση κενών έως 1% και 2% και συγκέντρωση εμφυτευμένων ατόμων ίση με 1% και 2% αντίστοιχα δεν παρατηρήθηκε δημιουργία νανοκρυστάλλων νιτριδίου του γαλλίου. Στη συνέχεια, πειρματαικά αποτελέσματα υποδεικνύανε χρήση συγκέντρωσης κενών ίση με 10% και 20% αντίστοιχα, συγκέντρωση εμφυτευμένων ιόντων ίση με 8% και 12% αντίστοιχα, θερμοκρασία αναθέρμανσης 1400Κ και χρόνο αναθέρμανσης 4ns, παρατηρήθηκε η δημιουργία ναναοκρυστάλλων νιτριδίου του γαλλίου σε πλήρη συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα.
description: This project aims to simulate the formation of Gallium Nitride nanoclusters, in amorphous SiO2 matrix. Gallium nitride is a III/V direct bandgap semiconductor with gap equal to 3.4eV. Its crystal structure is wurtzite and it is commonly used in light emission devices, in opto- and micro- electronics. An alternative method for the synthesis of nanocrystals is ion implantation followed by proper annealing. This project used the molecular dynamics method, and the used interatomic potential is Tersoff. Amorphous SiO¬2 is an attractive candidate as a matrix for the nanocrystals since it is transparent so it permits the light emission, and also offers good integration with Si-based micro-electronics. It is important to optimize methods of theoretical calculations that would be able to predict the growth conditions for optimization of the produced material. Simulation begins with the creation of the crystalline matrix, followed by it’s amorphization at the temperature of 5300K, by the use of Nose-Hoover thermostat in order to keep the preferable temperature constant. By the end of amorphization, vacancies creation take place by randomly deleting Silicon and Oxygen atoms from the amorphized matrix. Next step, is the deposition of Gallium and Nitrogen atoms. Vacancies creation procedure is necessary due to the fact that when ion implantation occurs, ions energy is really high resulting in kicking away some of the matrix atoms. In this project, ion impantation is simulated by Gallium and Nitrogen atom deposition, distributed randomly in the amorphous matrix and that explains the importance of vacancies creation. By the end of atom deposition, structure’s annealing followed in several temperatures as well as the relaxation. The parameters that were investigated in depth are: • Concentration of vacancies, initially from 0.005% and 0.01% of silicon and oxygen atoms, up to 10% and 20% respectively. • Concentration of deposited Gallium and Nitrogen atoms initially from 0.01% and 0.02% of silicon and oxygen atoms, up to 8% and 12% respectively. • Annealing temperature initially from 700K up to the final temperature of 1500K. • Annealing duration from 1ns up to 4ns. Till the temperature of 1300K, for concentration of vacancies until 1% and 2% respectively, and for concentration of deposited atoms equal to 1% and 2% no gallium nitride cluster formation was observed. Then, experimental data indicated concentration of vacancies equal to 10% and 20% respectively, concentration of deposited atoms equal to 8% and 12% and annealing temperature of 1400K. Finally, at these conditions cluster formation occurred in excellent agreement with experimental data.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)