Электронная структура двумерных и нульмерных нанообъектов селенида галлия

• Автор: Рыбковский, Дмитрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Кристаллическая структура селенида галлия

1.2. Электронная структура селенида галлия

1.3. Наноматериалы селенида галлия

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ

2.1. Общая характеристика методов расчета электронной структуры

2.2. Метод функционала электронной плотности

2.3 Спектр квазичастиц и 0У-приближение

2.4 Метод эмпирического псевдопотенциала

ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА ВАЛЕНТНОЙ ЗОНЫ ДВУМЕРНЫХ НАНООБЪЕКТОВ СЕЛЕНИДА ГАЛЛИЯ
3.1. Выбор обменно-корреляционного функционала, псевдопотенциалов, и определение параметров численных расчетов
3.2. Электронная структура отдельного тетраслоя ОаБе
3.3. Зависимость электронной структуры ваБе от числа тетраслоев
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ ПРОВОДИМОСТИ ДВУМЕРНЫХ НАНООБЪЕКТОВ СЕЛЕНИДА ГАЛЛИЯ
4.1. Расчет методом эмпирического псевдопотенциала
4.2. Расчет в 0У-приближении
ГЛАВА 5. ЗАВИСИМОСТЬ ЗАПРЕЩЕННОЙ ЗОНЫ ОТ ГЕОМЕТРИИ
КВАНТОВЫХ ТОЧЕК СЕЛЕНИДА ГАЛЛИЯ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Библиографический список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Селенид галлия является слоистым полупроводником группы АШВУ1, обладающим, в наиболее распространенной модификации, непрямой запрещенной зоной в 2.065 эВ, и прямой в 2.120 эВ при Т = 77 К. Это соединение характеризуется ярко выраженной структурной анизотропией, проявление которой активно исследовалось во второй половине XX века. Каждый слой этого вещества имеет толщину в 4 атомных плоскости, соединенных в последовательности Бе-Са-Оа-Зе, и часто называется тетраслоем. В зависимости от геометрии стыковки таких слоев между собой различают несколько политипов селенида галлия. Межатомные связи внутри слоев носят ковалентный характер с небольшой ионной составляющей, тогда как связь между соседними тетраслоями определяется, преимущественно, силами Ван-дер-Ваальса.
В настоящее время особенный интерес у исследователей и технологов вызывают полупроводниковые наноматериалы. Свойства таких веществ можно варьировать в широком диапазоне путем изменения их геометрических параметров при постоянном химическом составе. Вследствие своей слоистой природы, селенид галлия естественным образом подходит для получения низкоразмерных материалов. При этом сильная структурная анизотропия проявляется и в наночастицах этого вещества. На сегодняшний день были успешно синтезированы нульмерные (квантовые точки) [1; 2; 3], одномерные (нанотрубки и нанопроволоки) [4; 5] и двумерные (отдельные слои) [6; 7] нанообъекты ваБе. Исследования этих наноматериалов свидетельствуют об уникальных свойствах низкоразмерных структур селенида галлия. Квантовые точки этого соединения имеют форму дисков толщиной в один тетраслой, обладают хорошей фотостабильностью и высоким квантовым выходом люминесценции. В отличии от сферических квантовых точек изотропных полупроводников, такие цилиндрические наночастицы ОаЗе могут сильно
взаимодействовать между собой, что позволяет увеличивать их эмиссионные свойства [8] и создавать на их основе гетероструктуры [9] и сверхструктуры [10]. Фотодетекторы на основе ультратонких слоев селенида галлия демонстрируют быстрый отклик, высокую чувствительность и квантовую эффективность [7].
Таким образом, уникальные свойства позволяют говорить о нанообъектах ваЗе как о перспективном материале для создания приборов электроники и оптоэлектроники. При этом применимость тех или иных частиц для практических приложений определяется особенностями их электронного строения. В то же время, существует крайне мало теоретических работ, посвященных вычислениям электронной структуры наноматериалов ваЗе.
В настоящей работе теоретически исследовалось влияние эффектов пространственного ограничения на электронную структуру селенида галлия. Для этих целей применялись различные подходы. Влияние толщины двумерных систем на энергетические полосы валентной зоны изучалось из первых принципов на основе метода функционала электронной плотности. В диапазоне толщин, при которых микроскопические расчеты оказывались слишком ресурсоемкими, была проведена экстраполяция на основе модельных представлений. Для определения энергий электронов зоны проводимости у структур с малым числом тетраслоев использовались методы эмпирического псевдопотенциала и приближение квазичастиц (вУ приближение).
Электронные спектры квантовых точек селенида галлия вычислялись на основе макроскопического подхода, при котором энергии электронов определялись из дисперсионных кривых двумерных структур ваЗе.

В этом же году были изготовлены фотодетекторы на основе ультратонких слоев ваБе [7]. Такие фотодетекторы демонстрируют быстрый отклик (0.02 с), высокую чувствительность (2.8 А/Вт) и высокую квантовую эффективность в 1367 % на длине волны 254 нм.
Приведенные выше экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наноматериалы селенида галлия проявляют большое структурное разнообразие, что является следствием слоистой природы этого вещества. При этом многие из низкоразмерных структур ваБе представляют интерес не только с точки зрения фундаментальных исследований, но и в качестве основы для создания приборов электроники и оптоэлектроники. Их применимость в этих областях во многом определяется особенностями электронной подсистемы. При этом в настоящий момент практически отсутствуют теоретические работы, посвященные исследованию электронной структуры наноматериалов ваБе.