Investigação teórica sobre possíveis aplicações na eletrônica de nanofios de AlN, GaN e InN: um estudo de primeiros princípios
Abstract
Usando o formalismo da Teoria do Funcional da Densidade com polarização de spin e a
aproximação do gradiente generalizado para o termo de troca e correlação, estudamos a estabilidade
e as propriedades eletrônicas de impurezas substitucionais de C, Si e Ge em nanofios de
GaN, AlN e InN e a variação do band offset com o diâmetro em heteroestruturas da nanofios
AlN/GaN. Para o estudo de impurezas substitucionais utilizamos nanofios de AlN, GaN e
InN na fase da wurtzita e com diâmetros de 14,47 Å, 14,7 Å e 16,5 Å, respectivamente. Já para
o estudo da variação do band offset com o diâmetro da nanoestrutura, utilizamos nanofios que
formam a heteroestrutura na fase wurtzita com diâmetro médio variando 0,99 nm até 2,7 nm e
na fase blenda de zinco com diâmetro médio variando de 0,75 nm até 2,1 nm.
Os cálculos de estrutura eletrônica apresentam que os nanofios de AlN, GaN e InN
são semicondutores com gap direto no ponto Γ. Para o estudo das impurezas substitucionais,
consideramos que a impureza pode ocupar o sítio do cátion ou do aniôn, em posições não
equivalentes que estão distribuídas do centro até a superfície do nanofio. Para a impureza de
C, em nanofios de GaN, obtemos que, quando o átomo de C for substituído no sítio do N,
o mesmo vai estar distribuído uniformemente ao longo do diâmetro do nanofio. Já quando
substituído no sítio do gálio, o mesmo vai ser encontrado preferencialmente na superfície do
nanofio, sendo que, na superfície do nanofio a energia do formação do CGa é praticamente a
mesma do CN, assim pode ocorre a formação de pares autocompensados CN-CGa. Em nanofios
de AlN, quando o átomo de C ocupar o sítio do N, também vai ter uma distribuição quase uniforme ao longo do diâmetro do nanofio com uma pequena preferência (menor energia de
formação) para os sítios da superfície. Sendo que a energia de formação do CN é menor que
do CAl em todas as regiões do nanofios, tendo assim, probabilidade maior de formar CN. Para
nanofios de InN, nos sítios do centro, a energia de formação do CN e CIn é muito próxima,
sendo que o CN vai ter distribuição uniforme ao longo do diâmetro, mas na superfície o CIn
ser torna mais estável e a estrutura de bandas mostra que esta configuração apresenta níveis
doadores rasos.
Para impurezas substitucionais de Ge, em nanofios de GaN, observamos que no centro
do nanofio, o átomo de Ge tem uma probabilidade maior de ser encontrado no síto do Ga,
mas nos sítios da superfície a probabilidade é maior de encontrar no sítio do N, sendo essa a
configuração mais estável. Para nanofios de AlN, no centro do nanofio, é possível encontrar o
átomo de Ge no sítio do N ou Al, já que a energia de formação é práticamente a mesma. Na
superfície a probabilidade maior é de encontrar o átomo de Ge no sítio do N, sendo, também,
esta a configuração mais estável. Já para nanofios de InN, o átomo de Ge vai ser encontrado
preferencialmente no sítio do In com distribuição uniforme ao longo do diâmetro do nanofio.
Analisando a estrutura de bandas do GeIn observamos níveis doadores rasos. Para a impureza
substitucional de Si, obtemos que em nanofios de GaN e InN a configuração mais estável, é
o Si ser encontrado no sítio do cátion (Ga ou In) nos sítios centrais do nanofio e analizando a
estrutura de bandas do SiGa e do SiIn, também observamos níveis doadores rasos. Entratanto,
para nanofios de AlN, no centro do nanofio a probabilidade é maior de encontrar o átomo de
Si no sítio do Al, mas na superfície a probabilidade é maior de encontrar o átomo de Si no sítio
do N, sendo esta a configuração mais estável.
Por fim, analisamos a variação do band offset com a variação do diâmetro do nanofios
que forma a heteroestrutura. Consideramos heteroestruturas na fase wurtzita e blenda de zinco,
pois nos processos de síntese as duas fases são obtidas. Observamos que o resultado é similar
para as dias fases e, a medida, que o diâmetro aumenta o valor do band offset também
aumenta, tendendo para o valor obtido para o cristal.