Tính chất điện tử của cấu trúc siêu mạng dựa trên dãy dị chất ZnO/GaN kiểu armchair

- TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA CẤU TRÚC SIÊU MẠNG DỰA TRÊN DÃY DỊ CHẤT ZnO/GaN KIỂU ARMCHAIR.
- Electronic properties of the superlattice based on armchair ZnO/GaN nanoribbons Từ khóa:.
- Cấu trúc vùng, lý thuyết phiếm hàm mật độ, mật độ trạng thái, giam cầm lượng tử, dãy nano, siêu mạng.
- In this study, we investigate the electronic properties of the superlattice based on ZnO/GaN armchair nanoribbons by the density functional theory (DFT) method.
- ZnO và GaN là những vật liệu ba ́ n dẫn tiêu biểu và được ứng dụng nhiều trong các thiết bị quang điện tử.
- ZnO và GaN có cùng cấu trúc tinh thể wurtzite và có nhiều tính chất vật lý tương tự nhau.
- Do đó, khi kết hợp hai vật liệu này thành cấu trúc siêu mạng tạo ra một hệ vật liệu hứa hẹn có nhiều tính chất vật ly ́ m ớ i.
- Nghiên cứu này nghiên cứu tính chất điện tử của siêu mạng dựa trên ZnO/GaN biên armchair bằng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) phân cực spin.
- Kết quả nghiên cứu thể hiện rằng cấu trúc điện tử của một số cấu tru ́ c tinh thể nghiên c ứ u co ́ tồn tại hiê u ̣ ứ ng giam cầm lượng tử mạnh..
- Tính chất điện tử của cấu trúc siêu mạng dựa trên dãy dị chất ZnO/GaN kiểu armchair.
- Bên cạnh đó, ZnO cũng được quan tâm nghiên cứu vì những ứng dụng của vật liệu này (Aleksandra, 2012), với vùng cấm rộng (3.37 eV) có khả năng phát ra ánh sáng xanh và cực tím.
- Hai vật liệu này có nhiều tính chất vật lý tương tự (Ya, 2003.
- Muhammad, 2008), như có cùng cấu trúc tinh thể wurtzite và độ rộng vùng cấm tương đương nhau (Kazuhiko, 2005.
- Ghép hai vật liệu này thành siêu mạng mô ̣t lớp nguyên tử da ̣ng nanoribbon với biên armchair có thể hình thành siêu ma ̣ng di ̣ chất với liên kết.
- Được biết, các cấu trúc dị chất của tổ hợp bán dẫn tạo ra một khí điê ̣n tử hai chiều (2D) và các thiết bị được sản xuất từ đó trở thành lĩnh vực nghiên cứu về vật lý thiết bị trong các thập kỉ qua.
- Cấu trúc dị chất biên armchair của ZnO và GaN được kì vọng tạo thành một hệ vật liệu mô ̣t chiều (1D) tương tự nhưng có kı́ch thước bé hơn..
- Từ 1980 đến nay, cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, lý thuyết phiếm hàm mật độ được sử dụng rộng rãi và hiệu quả, những ứng dụng của lý thuyết phiếm hàm mật độ đang nhanh chóng trở thành công cụ cho nhiều lĩnh vực (Jones, 1989;.
- tinh thể lý tưởng chứa một lượng nhỏ các nguyên tử (Jurgen, 2006).
- Mục đích của phương pháp này là tính toán mật độ điện tử, không phải hàm sóng điện tử (Jurgen, 2006).
- Bài báo này tập trung nghiên cứu tı̀m cấu trúc tinh thể tối ưu.
- tính chất điện tử của vật liệu bao gồm mật độ trạng thái và giản đồ vùng với viê ̣c dùng chương trình máy tı́nh để mô phỏng cấu trúc..
- 1.1 Sơ lược về lý thuyết phiếm hàm mật độ Được biết, trạng thái của hê ̣ bao gồm N điê ̣n tử.
- Giải phương trình trên sẽ thu được năng lượng điện tử của hệ.
- Mỗi phương trình đơn điện tử có nhiều hàm riêng, trong đó định nghĩa một tập hợp các quỹ đạo spin  i.
- Ý tưởng chính của lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là mô tả một hệ gồm N điện tử tương tác thông qua mật độ điện tử thay vì hàm sóng nhiều điện tử như định thức Slater (John, 1950) sử dụng trong gần đúng Hartree-Fock.
- Ngoài ra, các tính toán được dùng tương đối thấp so với các phương pháp dựa trên các hàm sóng nhiều điện tử phức tạp như lý thuyết Hartree-Fock và các phương pháp sau đó..
- Năm 1927, Thomas và Fermi lần đầu đề xuất một mô hình thể hiện năng lượng điện tử như một phiếm hàm của mật độ điện tử.
- Trong ý tưởng ban đầu này, họ thu được một phương trình vi phân cho mật độ điện tử không chứa các quỹ đạo điện tử..
- Phiếm hàm mật độ địa phương (LDA), là một phiếm hàm đơn giản, trong đó chỉ xem xét mật độ điện tử địa phương.
- Ở mức độ gần đúng cao hơn là phiếm hàm gradient suy rộng (GGA), bao gồm mật độ điện tử.
- Phương pháp gần đúng mật độ địa phương đối với phiếm hàm tương quan và trao đổi dùng để tính toán năng lượng tương quan trao đổi trên từng hạt của khí điện tử đồng nhất như một phiếm hàm của mật độ, E X.
- c n dr (4) Phương pháp gần đúng gradient suy rộng là dạng mở rộng của phiếm hàm LDA có tính đến gradient của mật độ điện tử.
- n là mật độ điện tử có tính đến spin (John, 1996), phiếm hàm của năng lượng tương quan trao đổi có dạng (John, 1996.
- n n (5) Phiếm hàm GGA phổ biến nhất hiện nay là PBE.
- Phiếm hàm PBE bao gồm hai phần: PBE trao đổi  EX PBE  và PBE tương quan  EC PBE.
- Phiếm hàm PBE trao đổi được viết dưới dạng:.
- d rn r  X n F X s (6) và phiếm hàm PBE tương quan được cho bởi:.
- (7) Những lý thuyết trên là cơ sở cho việc mô phỏng cấu trúc điện tử của vật liệu ZnO/GaN kiểu armchair.
- 1.2 Cấu trúc siêu mạng ZnO/GaN.
- Hê ̣ các vật liệu có cấu trúc wurtzite có năng.
- Gần đây, các vật liệu này được khai thác để chế tạo các thiết bị quang điện tử mới.
- Hai vật liệu được quan tâm nhiều là ZnO và GaN..
- ZnO có ba dạng cấu trúc: wurtzite lục giác, zinc blende và rocksalt.
- trong đó cấu trúc wurtzite lục giác là cấu trúc phổ biến nhất.
- Cấu trúc này dựa trên liên kết đồng hóa trị của một nguyên tử với 4 nguyên tử lân cận.
- Nó là thành phần chủ yếu trong hầu hết các linh kiện bán dẫn và là vật liệu thích hợp để kết hợp với nhiều vật liệu bán dẫn khác, đặc biệt là GaN.
- GaN cũng có cấu trúc wurtzite lục giác, các ô lục giác có hai cặp nguyên tử Ga-N (Vispute, 1998), một nguyên tử Ga được bao quanh bởi 4 nguyên tử N.
- Trong cấu trúc lục giác, thứ tự xếp chồng các nguyên tử là ABAB (Vispute, 1998), trong đó A, B biểu thị các vị trí cho phép của cặp Ga – N trong lớp xếp chặt của mặt cầu..
- Bảng 1: Các thông số cấu trúc của ZnO và GaN.
- Vật liệu Cấu trúc tinh thể Hằng số mạng Năng lượng vùng cấm Năng lượng liên kết.
- Hình 1: Cấu trúc siêu mạng ZnO/GaN(n 1 -s 1 , n 2 -s 2 ) Bên cạnh, cấu trúc với biên armchair của.
- ZnO/GaN có thể hình thành cấu trúc dị chất với liên kết hoàn hảo (Hasan, 2009).
- thể tồn ta ̣i một cấu trúc dị chất 1 chiều tương ứng..
- Cấu trúc này tạo thành một hệ vật.
- Khi được lặp lại tuần hoàn, cấu trúc dị chất này có thể hình thành siêu mạng như hê ̣ các chấm lượng tử.
- Các hiệu ứng tương tự đã được nghiên cứu cho cấu trúc graphene với độ rộng giếng-rào khác nhau.
- Một siêu mạng ZnO/GaN có thể được biểu diễn theo bề rộng và chu kì lặp lại của các mảng cấu thành n 1.
- Nó được kí hiệu ZnO/GaN(n 1 -s 1 , n 2 -s 2 ) với n 1 , n 2 lần lượt là số nguyên tử trong một ô cơ sở của ZnO và GaN tương ứng theo chiều dọc.
- Trong nghiên cứu này, các tính toán lý thuyết được thực hiện bằng cách sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ có kết hợp các thế tương quan trao đổi (Kohn, 1965) trong gần đúng gradient suy rộng (GGA).
- Trong nghiên cứu này, chạy VASP nhờ vào sức máy của trung tâm siêu máy tính ở Thụy Điển thu đươ ̣c các tệp kết quả như CONTCAR, DOSCAR, EIGENVAL… và sử dụng phần mềm hiển thi ̣ cấu trúc Xcrysden để hiển thi ̣ cấu trúc tinh thể tối ưu của hệ được chọn.
- 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Cấu trúc tinh thể tối ưu.
- Các nguyên tử trong từng ô cơ sở được sắp xếp sao cho trong số 4 nguyên tử lân cận nhất của Ga có 3 nguyên tử N và một nguyên tử O và trong 4 nguyên tử lân cận nhất với Zn có 3 nguyên tử O và một nguyên tử N (Hui, 2012).
- Sự thay đổi liên kết này tạo thành một cấu trúc lục giác với các cạnh không đều nhau như Hình 2.
- Bên cạnh đó, số nguyên tử Zn, Ga, O và N và số mảng được chọn trong cấu trúc này là như nhau, nghĩa là n 1 = n 2 = n và s 1 = s 2 = s nên có thể kí hiệu là ZnO/GaN(n-s)..
- Hệ vật liệu này được đóng biên bằng nguyên tử H theo kiểu armchair.
- Trong cấu trúc này, biên armchair có kiểu đối xứng, nghĩa là trong mỗi ô cơ sở của ZnO có N nguyên tử Zn, N nguyên tử O cùng với 4 nguyên tử H và tương tự đối với GaN..
- a) ZnO/GaN(3-1) b) ZnO/GaN(3-2).
- c) ZnO/GaN(5-1) d) ZnO/GaN(5-2).
- Hình 2: Cấu trúc tinh thể kiểu armchair của (a) ZnO/GaN(3-1), (b) ZnO/GaN(3-2), (c) ZnO/GaN(5-1) và (d) ZnO/GaN(5-2).
- Hình 3: Một ô lục giác của siêu mạng ZnO/GaN Hình 2 mô tả cấu trúc của ZnO/GaN(n-s) với (n-s) lần lượt là và (5-2).
- Vật liệu ZnO/GaN được ghép từ hai chất nên các cạnh của.
- Bảng này cho thấy chiều dài liên kết giữa các nguyên tử tạo nên lục giác không giống nhau.
- Khi thay đổi số nguyên tử trong một ô cơ sở, chiều dài các liên kết này có thay đổi nhưng không đáng kể..
- Do đó, góc liên kết giữa các nguyên tử cũng thay đổi và được thể hiện trong Bảng 3..
- Bảng 2: Chiều dài liên kết giữa các nguyên tử cho các cấu trúc ZnO/GaN(n-s) (Հ).
- Bảng 3: Góc liên kết giữa các nguyên tử trong cấu trúc.
- 3.2 Cấu trúc vùng và mật độ trạng thái Cấu trúc vùng và mật độ trạng thái là hai đặc trưng để mô tả tính chất điện tử của vật liệu, cho.
- biết tính chất, đặc điểm cũng như tiềm năng ứng dụng của vật liệu..
- Hình 4: Cấu trúc vùng và mật độ trạng thái của (a) ZnO/GaN(3-1), (b) ZnO/GaN(3-2), (c) ZnO/GaN(5-1) và (d) ZnO/GaN(5-2).
- Cấu trúc nghiên cứu là siêu mạng một chiều dây nano được đóng biên H theo kiểu armchair với kích thước ngang nhỏ.
- Do đó, cấu trúc này được xem tương đương cấu trúc chấm lượng tử.
- Hình 4 biểu diễn cấu trúc vùng và mật độ trạng thái của siêu ma ̣ng dây nano ZnO/GaN với (n-s) lần lượt là và (5-2).
- Ở đây, mức Fermi được đưa về 0 cho tất cả các cấu trúc có kích thước khác nhau.
- DOS cho thấy sự phân bố gần đều trong khoảng năng lượng từ -4 đến 4 eV, các trạng thái spin up và spin down đối xứng thể hiện đây là một cấu trúc có dạng đồng nhất.
- Khi tăng số mảng cấu thành, trạng thái điện tử càng được phân bố gần đều..
- Cấu trúc điện tử cho thấy sự ổn định ở dạng tuần hoàn vô hạn.
- Trong các cấu trúc lục giác, năng lượng điện tử vùng cấm có liên quan xung quanh mức Fermi.
- Đối với cấu trúc tổ ong cơ bản như graphene, vùng này có các giao tuyến tại hai điểm K của vùng Brillouin thứ nhất.
- Trong các cấu trúc này, ta thấy có hı̀nh thành các trạng thái giam cầm theo hướng đối xứng GX..
- Trong cấu trúc ZnO/GaN thì sự lượng tử hóa năng lượng càng rõ rệt là cấu trúc (3-2) và (5-2), chúng giam cầm đối xứng theo cả hai hướng.
- Như vậy, vật liệu kích thước nano thể hiện những tính chất đặc biệt, thú vị do có hiệu ứng giam cầm lượng tử.
- Khi kích thước của vật liệu giảm xuống cỡ nano, một trong những hiện tượng đặc biệt là cấu trúc tinh thể và hiệu ứng lượng tử của các trạng thái điện tử bị ảnh hưởng số mảng cấu thành hê.
- dẫn đến vật liệu này có nhiều tính chất mới và hứa hẹn mang lại những ứng dụng quan trọng.
- Bên cạnh đó, các trạng thái bị lượng tử hóa sẽ quyết định tính chất vật lý hay của vật liệu đă ̣c biê ̣t là các tı́nh chất truyền dẫn trong vâ ̣t liê ̣u hay trong linh kiê ̣n cấu thành từ vâ ̣t liê ̣u..
- Bằng phương pháp DFT kết hợp với gói phần mềm mô phỏng VASP, cấu trúc siêu mạng kiểu armchair của ZnO/GaN(3-1), ZnO/GaN(3-2), ZnO/GaN(5-1) và ZnO/GaN(5-2) đã được mô.
- phỏng, phân tích số liệu và vẽ đồ thị cấu trúc vùng, mật độ trạng thái.
- Sự lượng tử hóa này phụ thuộc trực tiếp vào số mảng cấu thành trong mỗi cấu trúc, tı́nh đối xứng của cấu trúc, nó quyết định các tính chất của vật liệu.
- Kết quả này cho thấy khả năng thu nhỏ kích thước các linh kiện được chế tạo bởi siêu mạng dựa trên dãy ZnO/GaN mô ̣t chiều sử du ̣ng hiê ̣u ứng giam cầm lươ ̣ng tử..
- Observation of 430 nm electroluminescence from ZnO/GaN.
- Electronic structure of ZnO/GaN compounds: Asymmetric bandgap engineering..
- Optical properties of ZnO/GaN heterostructure and its near-ultraviolet light-emitting diode.