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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2008.tde-19112008-104834
Documento
Autor
Nome completo
Cedric Rocha Leão
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2008
Orientador
Banca examinadora
Silva, Antonio Jose Roque da (Presidente)
Caldas, Marilia Junqueira
Cotta, Mônica Alonso
Marega Junior, Euclydes
Venezuela, Pedro Paulo de Mello
Título em português
Propriedades eletrônicas de nanofios semicondutores
Palavras-chave em português
Estrutura dos sólidos
F´sica computacional
Propriedades dos sólidos
Resumo em português
No presente trabalho, efetuamos um extensivo estudo das propriedades eletrônicas e estruturais de nanofios de silcio (Si NWs) utilizando simulações computacionais totalmente ab-initio (metodo do DFT). Mostramos que nestes sistemas, diferentes facetas podem ser eletronicamente ativas ou inativas nos estados de borda dependendo apenas da maneira como os átomos de superfície se ligam aos átomos mais internos. Estes efeitos são causados pelo confinamento quântico nos fios, e por isso podem ser estendidas para outros tipos de fios semicondutores. Nossos resultados podem ser utilizados para guiar o processo de manufatura de sensores baseados em nanofios. Efetuamos cálculos ab-initio de transporte eletrônico nos nanofios com radicais de NH2 adsorvidos em diferentes facetas. Estas análises indicam que há diferenças entre a resposta do sistema a perturbações em superfícies distintas que são eletronicamente ativas. Em certas circunstâncias que serão discutidas, o nível de impureza gera centros espalhadores que reduzem o transporte eletrônico de maneira mais uniforme, enquanto em outros casos as quedas na transmitância são extremamente agudas, com perfil lembrando ressonâncias de fano. Investigamos ainda dopagem de Si NWs com boro e fósforo. Mostramos que estas impurezas se distribuem de maneira razoavelmente uniforme em sítios internos e superficiais dos fios. Embora o confinamento quântico tenda a tornar os níveis de impureza significativamente mais profundos nos fios que no cristal de Si, mostramos que rapidamente, para diâmetros acima de 30°A, dopagem com características de bulke recuperada. Efeitos associados as diferentes superfícies nas quais as impurezas estão localizadas também foram identificados, e acordo com nossas constatações anteriores. Estudamos outra importante impureza em nanofios de Si, que é o ouro, que é utilizado como catalisador no crescimento destes fios. Nossas analises indicam que ha uma forte tendência para estes átomos serem incorporados em sítios superficiais, onde eles não introduzem estados próximos ao gap de energia. Isso indica que ouro pode ser utilizado para catalisar estes fios sem afetar suas propriedades eletrônicas. Por fim analisamos as propriedades eletrônicas de heteroestruturas filiformes de silicio-germânio. Dispositivos eletrônicos baseados nestes materiais têm apresentado propriedades superiores a de equivalentes em arquitetura planar ou mesmo dispositivos baseados em outros nanofios. Nossas análises indicam que estes materiais podem apresentar tão variadas que os tornam candidatos `a diversas implementações tecnológicas, desde detectores de alta sensibilidade e grande liberdade de manipulação até materiais de propriedades eletrônicas robustas e pouco sujeitas a indesejáveis perturbações.
Título em inglês
Electronic properties of semiconductor nanowires
Palavras-chave em inglês
Computational physics
Properties of the solids
Structure of the solids
Resumo em inglês
We have performed an extensive study on the electronic and structural properties of silicon nanowires (NWs) using parameter free computational simulations (DFT). We show that in Si NWs, surfaces whose atoms are connected to inner ones perpendicularly to the wires axes become electronically inactive at the band edges. However, when these bonds are oriented along the growth axes the surface states contribute significantly to the formation of the HOMO and LUMO, even for relatively large wires (diameters > 30 °A). This is the dimension of the smallest experimental as-grown wires. These effects are caused by the fact that the electronic wave function is confined in the two directions perpendicular to the wires axes but it is not along it. Therefore, these conclusions can be extended to other types of semiconductor NWs, grown along different directions, with different facets and even surface reconstructions. These results can be used to guide actual implementations of NW based chemical and biological sensors, in a fashion that is now being followed by experimentalists. Following this work, we have investigated the electronic transport in these NWs with a NH2 radical adsorbed on different types of facets. These investigations not only confirm our previous conclusions but also indicate different effects associated with impurities adsorbed on distinct active surfaces. In some cases, the impurity level induces scattering centres that reduce the transport in an uniform way, whereas on other types of facets the decrease in the eletronic transport is sharp, suggesting the occurence of fano resonance.
 
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Tese.pdf (24.96 Mbytes)
Data de Publicação
2008-11-24
 
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