propriedades eletrônicas, mecânicas, óticas e de oxidação · propriedades alteradas devido a...

Propriedades eletrônicas, mecânicas, óticas e de oxidação

1 Workshop 20 anos CENAPAD

Propriedades alteradas devido a redução de dimensionalidade Confinamento quântico Efeitos de superfície

2 Workshop 20 anos CENAPAD

Engenharia de Dispositivos

Nature Materials 2, 517 (2003) Phys. Rev. B 73, 235409 (2006)

Maior flexibilidade em combinar materiais Redução de tensão via relaxação lateral

Menor limitação devido a descasamentos de rede (deslocações) Maiores espessura crítica

3 Workshop 20 anos CENAPAD

Superação de limites operacionais em materiais bulk

Ação em dispositivos como: Conectores Elementos ativos

4 Workshop 20 anos CENAPAD

Miniaturização e integração

Nature 488, 189 (2012) http://www.nanoelectronics.ch/research/cryolab.php

5 Workshop 20 anos CENAPAD

Vertical high-mobility wrap-gated InAs nanowire transistor

High Electron Mobility InAs Nanowire Field-Effect Transistors

Electron transport in InAs nanowires and heterostructure nanowire devices

Diameter-dependent electron mobility of InAs nanowires

Das mais baixas massas efetivas entre os semicondutores

Direct observation of ballistic and drift carrier transport regimes in InAs nanowires

Remote p-doping of InAs nanowires

Magnetotransport properties of individual InAs nanowires

6 Workshop 20 anos CENAPAD

Crystal-structure-dependent photoluminescence from InP nanowires

Increase of the photoluminescence intensity of InP nanowires by photoassisted surface passivation

Optical properties of InP nanowires on Si substrates with varied synthesis parameters

Enhanced luminescence from catalyst-free grown InP nanowires

Indium phosphide nanowires as building blocks for nanoscale electronic and optoelectronic devices

Dispositivos óticos na faixa do infravermelho

Nanofios de InAs, InP Ligas InAs1-xPx

Heteroestruturas InAs/InP Core/Shell Axialmente modulada

7 Workshop 20 anos CENAPAD

o Propriedades: o Eletrônicas, o Mecânicas, o Óticas o de oxidação

CÁLCULOS AB INITIO Teoria do Funcional da Densidade

LDA/GGA (PW91) Base de ondas planas PAW

8 Workshop 20 anos CENAPAD

Dificuldades experimentais em extrair informações de sistemas de dimensões extremamente reduzidas

Estudo de casos controlados, isolando-se influências de diferentes agentes ou situações

Estudo de casos de manipulação difícil ou perigosa Exploração de situações extremas ...

9 Workshop 20 anos CENAPAD

10 Workshop 20 anos CENAPAD

Nanofios zinc-blende crescidos na direção [111]

0,5 nm 1,0 nm

1,5 nm 2,0 nm

11 Workshop 20 anos CENAPAD

Poço Quadrado Eg ~ D-2

12 Workshop 20 anos CENAPAD

Diminuição na mobilidade de elétrons e buracos

Aumento da massa efetiva com a diminuição do diâmetro

13 Workshop 20 anos CENAPAD

1. Confinamento quântico: afeta a energia e a dispersão dos níveis eletrônicos

2. Efeitos de superfície: introduz armadilhas e centros espalhadores (passivação melhora bastante a mobilidade)

3. Temperatura: aumento da taxa de espalhamento por fônons

1. Confinamento quântico: afeta a energia e a dispersão dos níveis eletrônicos

14 Workshop 20 anos CENAPAD

[111] [0001] [11-21]

15 Workshop 20 anos CENAPAD

Para diâmetros menores que 2nm

1. Aumento substancial na mobilidade dos buracos

2. Mobilidade eletrônica não diminui drasticamente

16 Workshop 20 anos CENAPAD

1. Confinamento quântico: afeta a energia e a dispersão dos níveis eletrônicos

2. Efeitos de superfície: introduz armadilhas e centros espalhadores (passivação melhora bastante a mobilidade)

3. Temperatura: aumento da taxa de espalhamento por fônons

Efeitos de superfície: introduz armadilhas e centros espalhadores (passivação melhora bastante a mobilidade)

17 Workshop 20 anos CENAPAD

Nature 450, 27 (2002)

Características de nanofios core/shell que podem ser exploradas Razão Core/Shell:

Diferentes razões diferentes propriedades eletrônicas Observa-se variações nos regimes de alinhamentos de banda Tensões não tão bem acomodadas modulação das

propriedades via stress Passivação do core:

Eliminação de estados de superfície Dopagem remota:

Alinhamento de banda adequado que permite dopagem na camada não ativa gere portadores na camada ativa (sem espalhamento)

18 Workshop 20 anos CENAPAD

19 Workshop 20 anos CENAPAD

(a) InAs ; D ~ 1nm

(b) InAs ; D – 1,5 nm

(c) InAs/InP ; D ~ 1,5 nm core – 1,0 nm

20 Workshop 20 anos CENAPAD

21 Workshop 20 anos CENAPAD

Distorções no parâmetro de rede do fio de -4% ate 4%

InAs: D1 = -1,38 ; n = 1,10 InP: D1 = -0,80 ; n = 0,82

22 Workshop 20 anos CENAPAD

Comportamento harmônico

Ruptura Comportamento multiplamente harmônico

Elástico

Comportamento multiplamente harmônico

Plasticidade

23 Workshop 20 anos CENAPAD

Recentemente: Celulas solares de arranjos de nanofios de InP

atingem 13,8% de eficiência

Science 339, 1057 (2013)

InAs1-xPx : x = 0,0, 0,25, 0,50, 0,75, 1,00

Variando x ao longo do nanofio

Tandem solar cells

Diferentes diâmetros +

24 Workshop 20 anos CENAPAD

H. Krömmer, Nobel Lecture Phys. Lett. A 378, 2872 (2014)

25 Workshop 20 anos CENAPAD

Variação monotônica de ~ 1 eV no limiar de absorbância devido à formação de uma liga aleatória nos sítios dos ânions

Phys. Lett. A 378, 2872 (2014)

Nanofios expostos a atmosfera oxidam! Propriedades alteradas pela oxidação

26 Workshop 20 anos CENAPAD

Etapas iniciais Dinâmica do fio oxidado

Dinâmica T = 300K; Algoritmo de Verlet; passo de integração : 0,75 fs; ensemble canônico (NVT) termostato: Nosé- Hoover

DFT, GGA (PW91), PAW VASP

27 Workshop 20 anos CENAPAD

28 Workshop 20 anos CENAPAD

Diâmetro do nanofio: ~ 35 Å; Constituído por 5 camadas coaxiais; Célula unitária tetragonal: 45 x 45 x ao ao = 7,013 Å Número de pontos –k : 4 pontos-k Convergência da energia total em: 5 meV

29 Workshop 20 anos CENAPAD

Célula unitária: 300 átomos do nanofio (150 de In e 150 de P) e 144 átomos referentes as moléculas de oxigênio.

1200 passos de dinâmica

30 Workshop 20 anos CENAPAD

Etapas da dinâmica molecular: foram selecionados três

átomos de O e acompanhada a suas evoluções dinâmica.

31

Corresponde a

penetração observada

no slide anterior.

Workshop 20 anos CENAPAD

32 Workshop 20 anos CENAPAD

Fio com átomos de oxigênio distribuidos aleatoriamente nas

suas duas últimas camadas

Selecionou-se 10 configurações

descorrelacionadas

Dinâmica molecular com mais de 6000 passos

cálculo da função de correlação temporal

33 Workshop 20 anos CENAPAD

• Estrutura interna do fio preservada •Camadas externas amorfizadas

•Fio deixa de apresentar gap de energia •Estados introduzidos no gap são localizados defeitos de In

Nanofios de InAs e InP são candidatos a aplicações Eletrônicas Óticas Eletromecânicas etc

Nossos estudos destes nanofios buscam elucidar como: As propriedades variam em função do diâmetro Como as diferentes composições afetam suas

propriedades Pode estas modificações podem ser exploradas

34 Workshop 20 anos CENAPAD

35 Workshop 20 anos CENAPAD

36 Workshop 20 anos CENAPAD

37 Workshop 20 anos CENAPAD

Obrigado!