دانلود رایگان ترجمه مقاله نانوسیم پیش بینی شده (AIP-Scitation سال ۲۰۱۰)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

یکی از اولین پاسخ ها به اثرات محدود کردن در نانوسیم ها اینست که شکاف باند با توجه به شکاف باند حجیم بزرگ می شود، تأثیر جدیدی که انتقال از یک شکاف باند غیرمستقیم حجیم به گونه مستقیم نانوسیم می باشد همانطور که در زیر توضیح خواهیم داد. در شکل ۲ ما زیر باند رسانش (CBM) را برای چهار نانوسیم GaP که در طول جهت [۱۱۱] با قطرهای مختلف قرار دارد، درحالیکه مرجع برای باند والانش بالا (VBM) در صفر نگه داشته شد. خط نقطه چین پشتی نتیجه CBM حجیم است. به منظور تضمین اینکه شکافهای باند کاهش یافته بدست آمده در محاسبات DFT استاندارد بر انرژی های پراکندگی اثر نمی گذارد، نتایج ارائه شده در این شکل با استفاده از طرحواره GGA-SIC بدست آمد، همانطور که در بخش II توصیف شد، صحیح تر اینست که شکافهای باند را محاسبه کنیم. پراکندگی های انرژی برای محاسبات درحالیکه هیچ خودواکنشی در کار نیست خیلی مشابه آنهایی است که در شکل ۲ ارائه شدند تنها شکاف باندهایی کاهش داده می شوند همانطور که با نتایج به دست آمده با استفاده از طرحواره SIC مقایسه شدند.
از روی شکل ۲ گفتیم که برای نوع حجیم، همانطور که انتظار داشتیم، بخشی از T-L و باندهای T-L دارای انرژی پایین تری نسبت به نقطه T هستند. از سوی دیگر برای نانوسیم هایی که در طول جهت [۱۱۱] قرار دارند T-L’ و T-X’ همیشه در انرژی بالاتر از نقطه T هستند. برای نانوسیم ها با جهت [۱۱۱] نقطه L’ سه مرتبه کوتاهتر از نقطه L اولین منطقه بریلوئین حجیم است (از آنجا که قدرمطلق محور دوسویه کوچکتر نانوسیم در طول جهت Z2است در حالیکه جهت [۱۱۱]حجم این قدر مطلق a است). نقطه X’ از نانوسیم همچنین به این اولین منطقه بریلوئین حجیم تعلق ندارد، بلکه در طول صفحه xy به شدت محدود شده (که در آن خم شدن بستگی به قطر نانوسیم دارد) و در طول جهت z خم می شود. در این راه پراکندگی تقریبا متقارن در شکل ۲ مشاهده شده بخاطر پراکندگی به خاطر پراکندگی عمدتاتوسط خم شدن در طول T-L’ (یا جهت z) هدایت شده است. برای تمام نانوسیم های قرارگرفته در طول جهت [۱۱۱] در اینجا مطالعه شد شکاف باند مستقیم است، و تفاوت شکاف باند انرژی بین گونه مستقیم و غیرمستقیم از تابع ساده قطر نانوسیم پیروی نمی کند. بنابراین، ما نمی توانیم دقیقا پیش بینی کنیم که برای کدام قطر انتقال به گونه غیرمستقیم اتفاق خواهد افتاد زیرا در فاز حجم است، ولی با یک پیش بینی خطی ساده ما مشاهده می کنیم که این انتقال برای قطرهایی بزرگتر از ۴ نانومتر روی خواهد داد.

اگر نانوسیم GaPدر طول جهت [۱۱۰] قرار گرفته باشد شکاف باند انرژی همیشه غیرمستقیم است. همچنانکه از شکل ۳ می توانیم ببینیم، L’ و X’ خم شده همیشه در سطح انرژی پایین تر از نقطه T هستند. به خاطر خمش ها هر دوی نقاط L’ و X’ به یک اندازه انرژی دارند. همچنین مشاهده می کنیم که در طول محور نانوسیم (جهت [۱۱۰] یا T-K’) همچنانکه در مجموعه شکل ۳ نشان داده شده است، شکافهای باند نانوسیم نیز غیرمستقیم هستند.
همچنانکه پیش تر گزارش کردیم نانوسیم های غیراثرناپذیر، به خاطر باندهای معلق غیراشباع سطح، سطوح انرژی را درون شکاف باند نشان می دهند. به منظور درک اثرات ساختار الکترونیک، به ویژه در شکاف مستقیم / غیرمستقیم انتقال، به مطالعه ویژگیهای اکسید بیرونی روی سطح نانوسیم GaP با جهت گیری [۱۱۱]می پردازیم. ما از یک نانوسیم کاملا غیرفعال شده با هیدروژن (سیم ایده آل بدون پیوندهای معلق) شروع می کنیم، سپس شروع به تغییر اتمهای H با Oکردیم. با فرض اینکه منبعی از مولکولهای O2و H2داریم، می توانیم انرژی تشکیل را برای هر اتم اکسیژن اضافی با محاسبه تعداد m از کسیژن های اتم بدست آوریم که از ذخیره O2 گرفته شده و تعداد n از هیدروژن های اتمی که از سطح نانوسیم به ذخیره H2برده شده به دست می آوریم.

در حالیکه انرژی کل نانوسیم … می باشد، که m اکسیژنهایی هستند که اضافه شده اند و n هیدروژنهایی هستند که برداشته شده اند. Enw کل انرژی نانوسیم غیرفعال شده هیدروژنی و Oµ و Hμ به ترتیب پتانسیل های شیمیایی اکسیژن و هیدروژن اتمی هستند. این پتانسیل های شیمیایی به ترتیببه عنوان انرژی که اتم از ذخیره مولکولهای O2و H2می گیرد محاسبه شده اند. اگر E[O2]و E[H2] انرژی های حالتهای پایه مولکولهای O2و H2باشند، … و … به ترتیب پتانسیل های شیمیایی می باشند. حالت پایه برای مولکول O2حالت سه تایی چرخشی است. ما انرژی تشکیل را برای اتم O در سطح نانوسیم GaP با جهت گیری [۱۱۱] محاسبه می کنیم. نتایج در جدول ۱ خلاصه شده اند. اگرچه اغلب این انرژی های تشکیل به ازای هر اتم O جذب شده منفی می باشند، انتظار یک فرآیند اکسیداسیون شیمیاییدر نانوسیم های GaP نمی رود. یعنی از آنجاکه انرژی پیوندی محاسبه شده به ازای هر اتم برای مولکول O2، eV 2.93 – است. بنابراین اکسیداسیون تنها در دماهای بالا می تواند روی دهد. به طور تجربی مشاهده شده است که اکسیداسیون نانوکریستالهای GaP برای دماهای بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتی گراد رخ می دهد، و می دانیم که برای GaP حجیم، اکسیداسیون کامل شده برای دماهای بالاتر از ۸۰۰ درجه سانتی گراد روی می دهند. همچنانکه انرژی های تشکیل محاسبه شده ما ما برای اکسیژن ها از نانوسیم های غیرفعال شده هیدروژن شروع می شود، انتظار می رود که اکسیداسیون نانوسیم های GaP غیرواکنش ناپذیر انرژی های تشکیل پایین تری را نشان می دهد.
همچنین جالب است مشاهده کنیم از این انرژی های تشکیل در مقایسه باآنهایی که برای نانوسیم های InP بدست آمد کوچکتر هستند. بنابراین اکسیداسیون در نانوسیم های InP راحت از نانوسیم های GaP روی می دهد.
طول پیوند (b)اکسیژن ها زمانیکه روی سطح نانوسیم های GaP جذب می شوند سه پیوند خانوادگی را نشان می دهند: (i)پیوند تک Ga – O ،Ab ~ 1.9؛ (ii) پیوند تک P – O ، Ab ~ 1.5 ؛ پیوند مضاعف Ga = O ، Ab ~ 1.7 . طول پیوند تک Ga – O در طیف فاز BGa2O3 محاسبه شده ما ، ۱٫۸۷ Å–۲٫۱۱ Å می باشد. و طول پیوند P – O نزدیک به طول پیوند متوسط گروه PO4، ۱٫۵۴ Å است. ساختار برای بیشتر اتمهای O روی سطح نانوسیم GaP بعدا بحث خواهد شد.
بعد، سع یم کینم اثرات ساختار الکترونی نانوسیم GaP با جهت [۱۱۱] را به خاطر لایه سرپوش اکسید بدست آوریم (شکل ۴). به منظور درک مرحله به مرحله اینکه اکسید چطور به سطح نانوسیم GaP متصل می شود، یکی یکی تعداد اتمهای کسیژن و گالیوم را روی سطح نانوسیم GaP اضافه می کنیم، و انرژی همچسبی و ساختار الکترونی را محاسبه می کنیم. انرژی همچسبی همچنانکه تفاوت انرژی بین گونه های اتمی تغییر می کند محاسبه شده است (مجموع انرژی های اتمی Ga ، P و O به تنهایی) و نانوسیم GaP با m اکسیژن جذب شده روی سطح. همانطورکه از شکل ۵ می بینیم این سیستم همچنانکه تعداد اکسیژنها m افزایش می یابد باثبات تر می شود، و به ارزشی حدود eV 3.4 می رسد.

برای فاز کریستال B فرد می تواند زوایای پیوند را به دو طبق برای هرگونه تقسیم کند. O – Ga1 – O : 118 – ۱۰۸ درجه، O – GaII – O : 103 – ۸۱ درجه، Ga – O – Ga (چهاروجهی) : ۱۲۳ – ۱۱۲ درجه و Ga – O – Ga(هشت وجهی): ۱۰۳ – ۹۴ درجه. ساختار لایه اکسید گالیوم استوکیومتری Ga2O3را حفظ می کند، ولی فاز B کریتاللی نیت، زیرا زوایای پیوند تقریبا به طور پیوسته از ۸۸ درجه تا ۱۳۵ درجه برای Ga – O – Ga و ۸۱ تا ۱۲۴ درجه برای O – Ga – O متغیر استطول پیوند Ga – O برای لایه اکسید نیز تقریبا به فاز کریستال B نزدیک است. ما ساختار کریستالیGa2O3–B را محاسبه کرده، پنج خانواده طول پیوند که از Å ۱٫۸۷تا Å ۲٫۱۱ متغیر بود، که از دو نوع اتم Ga و سه نوع اتم O می آید، که در راستای کار سلار است. برای لایه سرپوش اکسید ما دهها طول پیوند مختلف را به دست می آوریم که از Å ۱٫۸۱ تا Å ۲٫۱۳ متغیر بود. بنابراین، آنچه بر روی سطح نانوسیم شکل می گیرد یک ساختار اکسید غیربلوری نزدیک به اتمهای O و Ga که به ترتیب مختصات چهارتایی و شش تایی از ساختار کریستالی Ga2O3– B می باشد. این نتیجه در راستای آزمایشات به دست آمده از لایه های اکسید Ga2O3بیرونی چندکریستالی یا غیربلوری می باشد.
اکنون به ساختار الکترونی برمی گردیم زمانی که اکسیژن های اتمی روی سطح نانوسیم GaP جذب می شوند. همچنین می خواهیم تأثیر یک لایه سرپوش اکسید را بر روی ساختار الکترونی نانوسیم های GaP با جهت [۱۱۱] درک کنیم. حضور اتمهای O بر روی سطح نانوسیم GaP سطوح اشغال شده یا خالی درون شکاف باند را معرفی می کند. زمانیکه O با دو اتم Ga، یا بین یک اتم Ga و یک اتم P پیوند برقرار می کند یا پیوند یگانه یا دوگانه با اتمهای P برقرار می کند سطوح اشغال نشده درون شکاف باند نانوسیم را معرفی می کند. در غیراینصورت زمانیکه O پیوند یگانه یا دوگانه با اتمهای Ga برقرار می کند، یک سطح اشغال شده در شکاف باند پدیدار می گردد. این سطح عدم خلوص O شدیدا برای تمام سیستم های شرح داده شده در بالا محدود می شود. از طریق افزایش تعداد اتمهای O بر روی سطح نانوسیم GaPبا جهت [۱۱۱]، که سیستم را باثبات تر می کند، سطوح اکسیژن به سمت باند والانس (برای سطوح اشغال شده) یا به سمت باند رسانش (برای سطوح اشغال نشده) حرکت می کنند.