Ατομιστικοί υπολογισμοί διεπιφανειών ημιαγωγικών νανοδιατάξεων
Creators: name: Παυλούδης, Θεόδωρος Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Νανοσύρματα
Νιτρίδια
DFT
Nanowires
Nitrides

description: Τα νανοσύρματα νιτριδίων προσφέρουν δυνατότητες για πολλές ενδιαφέρουσες εφαρμογές. Οι μοναδικές ιδιότητες των νανοσυρμάτων προκύπτουν από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους. Στην παρούσα εργασία μελετήσαμε με μεθόδους πρώτων αρχών τις δομικές και οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες διάφορων διαμορφώσεων νανοσυρμάτων. Οι αφηρεμήσεις και οι υπολογισμοί έγιναν με το λογισμικό AIMPRO. Αρχικά, ερευνήσαμε την επίδραση του σχήματος και της διαμέτρου στην ενέργεια νανοσυρμάτων νιτριδίου γαλλίου. Για το σκοπό αυτό κατασκευάσαμε m-plane και a-plane τριγωνικά και εξαγωνικά και δωδεκαγωνικά νανοσύρματα (άτομα ~80 έως ~1.000, διάμετρος 10 Å έως 55 Å). Τα m-plane εξαγωνικά και τα δωδεκαγωνικά νανοσύρματα είχαν την χαμηλότερη ενέργεια ανά άτομο. Παρουσίαζαν παρόμοιες τιμές ενέργειας όσο αυξάνόταν η διάμετρος του περιγεγραμμένου κύκλου του νανοσύρματος. Η ανάλυση Mulliken στα ενεργειακά προτιμητέα εξαγωνικά νανοσύρματα έδειξε πως τα ατομικά τροχιακά με συνεισφορά στο μέγιστο της ζώνης σθένους ήταν τα 2p τροχιακά των ατόμων αζώτου. Τα τροχιακά με συνεισφορά στο ελάχιστο της ζώνης αγωγιμότητας ήταν τα 3s τροχιακά των ατόμων γαλλίου. Και στις δύο περιπτώσεις τα τροχιακά ανήκαν σε άτομα που βρίσκονταν στην εξωτερική περίμετρο του νανοσύρματος. Στη συνέχεια, ερευνήσαμε την επίδραση των μορφών παραμόρφωσης και της συγκέντρωσης του ινδίου στην ενέργεια και στις οπτοηλετρονικές ιδιότητες νανοσυρμάτων νιτριδίου γαλλίου που περιείχαν νανοδίσκους νιτριδίου ινδίου-γαλλίου. Θεωρήσαμε τρεις περιπτώσεις παραμόρφωσης: διαξονική, μονοαξονική και υδροστατική. Υπολογίσαμε τις σταθερές του πλέγματος α και c για την κάθε περίπτωση χρησιμοποιώντας τη θεωρία της ελαστικότητας για τη δομή του βουρτσίτη. Το κάθε νανοσύρμα αποτελούταν από 6 νανοδίσκους νιτριδίου ινδίου-γαλλίου και 12 νανοδίσκους νιτριδίου γαλλίου (άτομα 972, διάμετρος 15 Å, μήκος 45 Å). Η συγκέντρωση του ινδίου στους νανοδίσκους κυμαινόταν από 3% έως 25%. Μέχρι τη συγκέντρωση ~10% ινδίου στους νανοδίσκους, η κατάσταση της υδροστατικής παραμόρφωσης ήταν ενεργειακά ανταγωνιστική με αυτήν της διαξονικής. Για μεγαλύτερες συγκεντρώσεις ινδίου η προτιμητέα κατάσταση ήταν η διαξονική. Για συγκέντρωση ινδίου ~10%, η ενεργειακή διαφορά ανά άτομο μεταξύ των υδροστατικά και των διαξονικά παραμορφωμένων νανοσυρμάτων ήταν της τάξης του 10-3 eV και μεταξύ των μονοαξονικά και των διαξονικά παραμορφωμένων της τάξης του 10-2 eV. Η τιμή του ενεργειακού χάσματος για την περίπτωση της διαξονικής παραμόρφωσης μειωνόταν με την αύξηση του ποσοστού του ινδίου στους νανοδίσκους. H επίλυση στην καμπύλη του διαγράμματος είχε αποτέλεσμα την τιμή 2.35 eV για την παράμετρο κύρτωσης του νόμου του Vegard. Οι νανοδίσκοι εισήγαγαν καταστάσεις στο χάσμα, οι οποίες μετατοπίζονταν προς μεγαλύτερες ενέργειες με την αύξηση του ποσοστού του ινδίου. Οι καταστάσεις οφείλονταν στα 2p τροχιακά των ατόμων αζώτου που βρίσκονταν στην επιφάνεια του νανοσύρματος και κοντά στα άτομα ινδίου. Τέλος, ερευνήσαμε τις δομικές ιδιότητες σύνθετων νανοσυρμάτων με πυρήνα και εξωτερικό φλοιό διαφορετικής σύστασης, συγκεριμένα νανοσυρμάτων με πυρήνα νιτριδίου γαλλίου και εξωτερικό φλοιό νιτριδίου αλουμινίου. Κατασκευάσαμε 4 νανοσύρματα αντικαθιστώντας στο βελτιστοποιημένο m-plane εξαγωνικό νανοσύρμα νιτριδίου γαλλίου διαδοχικά εξωτερικά στρώματα με νιτρίδιο αλουμινίου (άτομα 972, διάμετρος 50 Å). Η ενέργεια των νανοδίσκων αυξανόταν γραμμικά με την αύξηση του ποσοστού του αλουμινίου. Το σημείο του μεγίστου της ζώνης σθένους παρουσίασε μετατόπιση προς υψηλότερες τιμές ενέργειας με την αύξηση του ποσοστού του αλουμινίου.
description: Nitride based nanowires present a potential for numerous interesting applications. The unique properties of nanowires arise from their geometrical characteristics. In the present study, we investigated various nanowire configurations with ab-initio methods. The relaxations and the calculations were completed with the AIMPRO code. Firstly, we investigated the effect of the shape and the diameter on the energy of gallium nitride nanowires. We constructed m-plane and a-plane trigonal and hexagonal and dodecagonal nanowires (atoms ~80 to ~1.000, diameter 10 Å to 55 Å). The m-plane hexagonal and the dodecagonal nanowires were of the lowest energy per atom. They became almost energetically degenerate as the circumscribed circle diameter of the nanowire increased. A Mulliken analysis on the preferable hexagonal nanowires showed that the atomic orbitals which contributed to the valence band maximum were the 2p orbitals of nitrogen atoms. The atomic orbitals which contributed to the conduction band minimum were the 3s orbitals of gallium atoms. The atoms to which the orbitals belonged were on the outer surface of the nanowire in both cases. Secondly, we investigated the effects of types of strain and indium concentration on the energy and optoelectronic properties of gallium nitride nanowires with InxGa(1-x)N nanodisks. We considered three cases of strain: biaxial, uniaxial sκαι hydrostatic. We used the elasticity theory for the wurtzite structure in order to calculate the α and c lattice constants for each case. Each nanowire consisted of 6 InxGa(1-x)N bilayers and 12 GaN bilayers (atoms 972, diameter 15 Å, length 45 Å). The indium concentration in the nanodisks varied from 3% to 25%. Up to ~10% of indium, the hydrostatic strain state was energetically competitive with the biaxial. Above this value the dominant strain state was the biaxial one. At ~10% In concentration, the energy difference per atom between the hydrostatically and the biaxially strained nanowires was in the order of 10-3 eV and between uniaxially and the biaxially strained nanowires in the order of 10-2 eV. Τhe energy bandgap for the biaxially strained nanowires decreased with the indium concentration in the nanodisks. A fitting for the Vegard’s law yielded a bowing parameter equal to 2.35 eV. The nanodisks induced deep states in the bandgap, which were shifted towards higher energies with the increase of the indium content. The states were attributed to the 2p atomic orbitals of nitrogen atoms that were on the surface of the nanowire and close to the indium atoms. Finally, we investigated the structural properties of core/shell nanowires. The configuration that was tested was gallium nitride/aluminum nitride. We constructed 4 nanowires based on the optimised m-plane hexagonal gallium nitride nanowire by replacing consecutive outer layers with aluminum nitride (atoms 972, diameter 50 Å). Τhe energy increased with the increase of the aluminum content. The valence band maximum shifted towards higher energies with the increase of the aluminum content.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)