ELNES Study of AlN, InxAl1-xN and AlN1-yOy:
Creators: name: Σουμελίδου, Μαρία-Μαριάννα Ηλία
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: ELNES
EELS
InAlN

description: Το θέμα της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ατελειών δομής με την βοήθεια της τεχνικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας: Φασματοσκοπία απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων ή Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS). Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν ατέλειες δομής (defects) ινδίου και οξυγόνου σε δομή βουρτσίτη νιτριδίου του αλουμινίου (AlN). Από τα πειραματικά δεδομένα παρατηρήθηκαν ατέλειες που ονομάζονται V- defects λόγω του σχήματος τους. Έχουν μορφή αντίστροφων πυραμίδων και σχηματίζονται λόγω διαφορετικής κινητικότητας των ατόμων. Το υλικό από το οποίο πάρθηκαν τα πειραματικά φάσματα είναι τριαδικό κράμα InAlN. Η τεχνική με την οποία συλλέγονται τα φάσματα EELS είναι συνδυασμένη με την διάταξη ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης TEM ή scanning TEM (STEM). Πάρθηκαν σημειακά φάσματα EELS που εστιάζουν σε διάφορα σημεία της πυραμίδας (κορυφή, έδρα, ακμή) από εικόνες STEM. Διαφορές παρατηρήθηκαν στις κορυφές των φασμάτων που οφείλονται σε διαφορετική ηλεκτρονική διαμόρφωση. Για να μελετηθούν οι δομές έγινε προσομοίωση των φασμάτων με τον κώδικα WIEN2k που χρησιμοποιεί την θεωρία συνάρτησης της πυκνότητας (density functional theory, DFT). Το WIEN2k είναι ακριβής μέθοδος προσομοίωσης γιατί λαμβάνει υπόψη στους υπολογισμούς όλα τα ηλεκτρόνια των ατόμων (all electron method). Το πρόγραμμα του WIEN2k που ονομάζεται TELNES.2 χρησιμοποιείται για να προσομοιώσει πειραματικά φάσματα απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS), και συγκεκριμένα λεπτής υφής (fine structure). Η περιοχή του φάσματος EELS υψηλών ενεργειών που μελετάει τη λεπτή υφή ονομάζεται ELNES (electron loss near edge structure). Τα φάσματα ELNES είναι ευαίσθητα στην ηλεκτρονική διαμόρφωση των ατόμων. Μελετώντας διαφορετικές δεσμικές καταστάσεις μπορούμε να κατασκευάσουμε προσομοιωμένα φάσματα διαφορετικών δομών ώστε να χρησιμοποιούνται ως φάσματα αναφοράς. Για τον σκοπό αυτό κατασκευάστηκε αρχικά στο WIEN2k μια δομή βουρτσίτη του AlN, η οποία μετά από βελτιστοποίηση των σταθερών του πλέγματος και ελαχιστοποίηση της ενέργειας της δομής χρησιμοποιήθηκε σαν αναφορά για την μετέπειτα μελέτη των ατελειών ινδίου και οξυγόνου. Ελήφθησαν φάσματα ELNES με διαφορετικές συνθήκες προσομοίωσης, όπως υπερκυψελίδες (supercells), διεγερμένες καταστάσεις ηλεκτρονίων (core hole) για την καλύτερη ταύτιση με τα πειραματικά δεδομένα. Στη συνέχεια εισήχθησαν άτομα ινδίου και οξυγόνου στη δομή του νιτριδίου του αλουμινίου. Διαφορές στη θέση, στις εντάσεις ή το εύρος των κορυφών των φασμάτων παρατηρήθηκαν ανάλογα με την ηλεκτρονική διάταξη των ατόμων. Προσθήκη οξυγόνου δεν μετατοπίζει τις κορυφές των φασμάτων ELNES αλλά επηρεάζει τις σχετικές εντάσεις των κορυφών. Αντίθετα, εισαγωγή ατόμων ινδίου προκαλεί μετατόπιση των κορυφών καθώς και αλλαγές στο εύρος τους. Παρουσία και των δύο ατελειών οι αλλαγές στα φάσματα είναι εντονότερες. Διαφορετικά αποτελέσματα εμφανίζονται όταν το ίνδιο σχηματίζει δεσμό με το οξυγόνο και όταν το ίνδιο σχηματίζει δεσμό με το άζωτο. Αφού μελετήθηκαν διαφορετικές συγκεντρώσεις ινδίου και οξυγόνου στο νιτρίδιο του αλουμινίου, ακολούθησε σύγκριση των θεωρητικών με τα πειραματικά φάσματα. Παρατηρήθηκε μεγάλη ευαισθησία των φασμάτων EELS συναρτήσει τις περιεκτικότητας των ατελειών δομής. Συμπερασματικά, διαφορετικές περιεκτικότητες σε ίνδιο και οξυγόνο παρατηρούνται στην κορυφή, τις ακμές και τις έδρες των V-defects. Λόγω της μη απόλυτης ταύτισης των πειραματικών φασμάτων EELS με τα θεωρητικά μοντέλα δεν είναι σκόπιμο να γίνει ακριβής ποσοτικοποίηση των αποτελεσμάτων. Τέλος, η συγκεκριμένη τεχνική ηλεκτρονικής μικροσκοπίας είναι μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος που διαρκώς βελτιώνεται και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μελέτη νανοδομών σε ατομικό επίπεδο.
description: Experimental EELS spectra of the N K edge on different areas of V-defects in MOVPE grown In0.24Al0.76N provided the incentive for our current investigation. In order to detemine the oxygen and indium content of the defected areas in these materials, experimental ELNES spectra of InAlN are used as a basis for the calculation of ELNES spectra of AlN, InxAl1-xN and AlNyO1-y. The present work is focused on the qualitative comparison between the experimental and calculated EELS spectra, by means of the WIEN2k code and the TELNES.2 program. Optimized lattice constants of AlN were used, various supercell configurations were investigated, i.e. the 2x2x1 (16 atoms) and the 2x2x2 (32 atoms) and the core hole effect was taken into account. It was found that the concentration of the examined impurities affects the position and sharpness of the N K edge significantly. Oxygen impurities affect the intensity of the ELNES edges but have no influence on their positions. On the contrary, variation of the indium content in InxAl1-xN influences significant both the position of the edges and their broadening. Finally, when both O and In are present in AlN with O bonding to In no edge shifts are observed. In contrast, when In is surrounded by N atoms and Al-O bonds are formed, indium increases the intensity of the 405eV edge and broadens the N K edge to 427eV. Our results show that the N K edge is highly sensitive to the concentration and the bonding environment of indium, as well as at the presence of oxygen impurity atoms. EELS provides information from nanometric specimen areas, is highly sensitive to local changes in the electronic structure and in the case of alloys, it is identified as an indispensable tool since it can record composition fluctuations.