اولین اصول نانوسیم های GaP شکاف باند (مقاله ترجمه شده)

نانوسیم GaP یک ماده بالقوه برای دستگاه های جدید است که کاربردهای اپتیکال و الکترونیکی می توانند باهم ادغام شوند، از تعدادی از محدودیتها رنج می برد زیرا شکاف باند غیرمستقیم را نشان می دهد. با استفاده از محاسبات اولین اصول ما نشان می دهیم که به خاطر اثرات محدود کردن، شکاف باند نه تنها زمانیکه به شکل یک نانوسیم است بزرگ می شود ، بلکه می تواند تنها با کاهش چند نانومتری قطر نانوسیم به یک نانوسیم نیم رسانای شکاف باند مستقیم تبدیل شود. این تبدیل به یک شکاف باند مستقیم برای نانوسیم های GaP با جهت [111] روی دهد ولی نه برای نانوسیم های GaP با جهت [110]. اثرات وضعیتهای سطح که می تواند شکاف باند را تغییر دهد با اشباع هیدروژن و لایه سرپوش اکسید بر روی سطح نانومتر GaP مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می دهند در حالیکه هیدروژن یک غیرفعال کننده کامل است، پیوندناجور Ga2O3GaP/ پیوند باند رسانش کوچکی را نشان می دهد ولی نانوسیم های GaP با جهت [111] باند شکاف مستقیم را نگه می دارد.1. مقدمهنانوسیم های نیمه رسانای III-V به خاطر کاربرد باقوه شان در وسایل فتوالکترونیک و مدارهای فوتونی به شدت مورد مطالعه قرار گرفته اند. فسفیدگالیلوم تعداد زیادی از اشکال مقیاس نانوی مختلف را نشان می دهد، و در بین کاربردهای مختلفجالب می توان کاربرد آن برای دستگاههای ریز اپتیکال را نام برد. همچنانکه نانوسیم های فسفید گالیلوم جدیدا گزارش شده با قطرهای نانومتر می توانند با فنون خیلی ساده بدست آیند، که آنها را به واحدهای ساختمانی مفیدی برای ساختن دستگاه های نانو بدل می کند. با اینحال، فسفیدگالیلوم یک شکاف باند ev 2.26 غیرمستقیم را نشان می دهد، که آن را برای کاربردهای اپتیکال سودمند نمی کند. تولید نور تنها می تواند بوسیله اکسایتون هایی با دوپانت های ایزوالکترونیک تحت فشار تک محوری، فشار هیدرواستاتیک یا کمپرس شوک روی دهد. هیچ شواهدی در دست نیست که ترکیبات III-V دارای ساختار نانوحداقل باند رسانش را در مقایسه با انواع حجیم آن تغییر می دهند، ولی بزرگ شدن شکاف باند، به خاطر اثرات محدودکردن مشاهده می شود. معهذا پیش بینی شده است که عیوب گسترده مانند سوپرشبکه های در حال جفت شدن، نیم رساناهای در ترکیب با روی شکاف باند غیرمستقیم را به گونه های مستقیم تبدیل می کنند. همین اواخر نشان داده شده است که سوپرشبکه های در حا جفت شدن می توانند در نانوسیم های InP با کنترل شکل نانوسیم تحت کنترل قرار بگیرند. اگر بتواند به یک نیم رسانای شکاف باند غیرمستقیم گسترش یابد آنرا به ماده شکاف باند مستقیم تبدیل می کند. با اینحال یک تبدیل از شکاف باند غیرمستقیم حجیم به فرم مستقیم نانو، تنها به خاطر تأثیرات نانو، تا حال در ساختارهای نانوی III-V مشاهده نشده است.مسأله مهم در به دست آوردن ویژگیهای الکتونیک در نیم رساناها در مقیاس نانو اینست که معمولا از نظر تجربی تعیین ساختار سطح ماده نانو دشوار است. به منظور جلوگیری از تأثیرات سطح نشان داده شده است که یک لایه اکسید سرپوش، معمولا پوشش Ga2O3 ،اجازه پدید آمدن یک نانوسیم GaP داخلی با ساختار بسیار کریستالی را می دهد. در واقع ساختارهای نانوی GAP یا Ga2O3 می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. نانوسیم های GaP می توانند ازGa2O3ساخته شوند، و نیز کریستال های نانوی Ga2O3 می توانند از نانوکریستالهای GaP بدست آیند. لایه های بیرونی Ga2O3 می توانند به عنوان لایه سرپوش محافظ برای نانوسسیم های GaP عمل کنند، که اجازه استفاده از ساختار Ga2O3GaP/ برای دستگاه های نانو در دماهای بالا را فراهم می آورد. آنچه تاکنون خیلی واضح نیست آرایش اتمی بین سطح مشترک دو ساختار می باشد، پیامد ساختار الکترونی به خاطر اکسید بر روی سطح نانوسیم GaP چیست، و تأثیرات محدود کردن چطور ویژگیهای الکترونی نانوسیم های باریک را تغییر می دهد. شبیه سازی های نظری معمولا از هیدروژن ها به عنوان مکانیزم غیرفعالسازی برای جلوگیری از پیوندهای اضافی سطح استفاده می کنند، درحالیکه از لحاظ تجربی غیرفعالسازی هیدروژن عملی نیست، ولی رفتار سطح با اسیدها به طور قابل توجهی شدت فوتولومینسینس را افزایش می دهد.2. روشمحاسبات انرژی کل با نظریه تابعی چگالی (DFT) در تقریب تعمیم داده شده چگالی (GGA)(ارجاع 21) برای پتانسیل همبستگی تبادل محاسبه شدند، در حالیکه فعل و انفعالات الکترون –یون با شبه پتانسیل های کاملا جداشدنی ترولیر-مارتینز با درنظر گرفتن نرمهای ab initioبه شکل کلینمن – بایلندرتوصیف شدند. انرژی کل با محاسبات کاملا با حل معادله های کوهن – شان (KS) استاندارد بدست آمده است. اوربیتالهای KS با استفاده از ترکیب خطی اوربیتالهای شبه اتمی عددی گسترش یافته، در یک کد SIESTA اجرا شد. در تمام محاسبات یک مجموعه مبنا با کیفیت دابل زتای والانس دوتایی با کارکرد پلاریزه کردن افزایش یافتند نشان داده شده است باند والانس و انرژی های پیوند برای سیستم های Ga2O3و GaP دوباره بازتولید می کنند. این نتایج در مقایسه با اولین اصول و نتایج تجربی دیگر مقایسه شده اند. برای تضمین ایک توصیف خوب از چگالی شارژ، یک برش Ry 170 برای ادغام مورد استفاده قرار گرفت تا چگالی شارژ در فضای واقعی را به تصویر بکشد و عوامل ماتریکس همیلتونیون را محاسبه کند.3. بحث و نتایجبه منظور به دست آوردن ویژگیهای الکترونیکی نانوسیم GaP بدون هرگونه تأثیر سطح، به خاطر حضور باندهای معلق یا خطاهای سطح، ما ابتدا سطح نانوسیم را با اتمهای هیدروژن اشباع می کنیم به طریقی که اتمهای Ga و Pمختصات چهارگانه داشته باشند. نانوسیمهای GaP با اتمهای هیدروژن غیرفعال شده ساختار کریستالی را همچنانکه در شکل 1 می بینیم نشان می دهند، و آنها هیچ سطح انرژی درون یا اطراف شکاف باند نشان نمی دهندبه طور مشابه همانطور که پیشتر برای نانوسیم های InPگزارش کردیم. محاسبات با غیرفعال کردن سطح واقعی تر با Ga2O3 بعدا مورد بحث قرار خواهد گرفت. در ابتدا ما تنها به ساختار الکترونیکی نانوسیم های GaP آغازین به عنوان کارکرد قطرهایشان علاقه مندیم. ما اشکال هندسی چهار نانوسیم که در طول جهت [111] قرار گرفته را بهبود بخشیدیم (شکل (a)1 ) با قطرهای 1.2، 1.7، 2.2، و 2.6 نانومتر در یک سوپرپیل که به ترتیب شامل 68، 116، 176، و 239 اتم می شوند. همچنین دو نانوسیم را که در طول جهت [110]قرار دارد را با قطرهای 0.8 و 1.5 نانومتر که به ترتیب شامل 14 و 40 اتم بودند را مورد بررسی قرار دادیم.به طور خلاصه محاسبات ما نشان می دهند که شکاف باند نانوسیم های GaP، با توجه به شکاف باند غیرمستقیم حجیم بزرگ می شوند، می توانند به یک شکاف باند مستقیم تبدیل شوند، زمانیکه قطرهایشان در طیف نانومترهای کمی است. طبق نتایج ما، ااین تبدیل به یک شکاف باند مستقیم عمدتا به خاطر اثرات محدود کردن است و برای نانومترهایی که در طول جهت [111]قرار دارند رخ می دهد. برای نانومترهای جهت دار [110] شکاف باند همیشه غیرمستقیم است. این نتایج همچنین نشان می دهند که تشکیل لایه های اکسید روی سطح نانوسیم های GaP با جهت [111] یک فرآیند پایدار است و پیوند باند رسانش کوچکی را به خاطر اتصال ناجور Ga2O3GaP/ ایجاد می کند، که نانوسیم های شکاف باند مستقیم را نگه می دارد.این مقاله ISI در سال 2010 در نشریه AIP-Scitation و در مجله فیزیک کاربردی، توسط کالج موسسه فیزیک منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله اولین اصول نانوسیم های GaP شکاف باند در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.