Tesis doctoral de Alejandro Molina Sanchez
En esta tesis hemos estudiado las propiedades electrónicas y ópticas de los nanohilos de semiconductores iii-v, es decir, de inn, gan y aln, referidos comúnmente en la literatura como nanohilos iii-n o nanohilos de nitruros del grupo iii. estas estructuras se caracterizan por un longitud mucho más larga (en el orden de micrómetros) que su sección (en el orden de nanómetros). La alta calidad cristalina de estos nanohilos, alcanzada gracias al desarrollo de las técnicas de crecimiento como la epitaxia de haces moleculares, ha dado lugar a un interés creciente en la investigación de sus propiedades físicas, debido a su potencial uso en aplicaciones de optoelectrónica, como los diodos de emisión de luz (led), diodos láser (ld), células solares, y el diseño de nuevos transistores. En concreto, los nanohilos de materiales inn, gan y aln revisten especial interés por sus variados gaps, del infrarrojo lejano (0.67 ev para el inn), pasando por el ultavioleta cercano (3.5 ev para el gan), hasta el ultravioleta lejano (6.2 ev para el aln), que combinados aproapiadamente pueden, por ejemplo, cubrir totalmente el espectro de energía del sol. los nanohilos presentan algunas diferencias respecto a otras nanostructuras como los puntos cuánticos auto ensamblados o las capas delgadas. Así, como consecuencia inherente al proceso de fabricación, los nanohilos crecen libres de tensiones internas (excepto probablemente en la base), que conlleva una presencia muy reducida de dislocaciones o defectos a lo largo de la estructura. Esto abre la posibilidad de crecer materiales en substratos en los que antes no era posible por el gran desacuerdo entre los parámetros de red. Esta característica se debe a que las tensiones pueden relajarse en la superficie que queda libre, contrariamente a lo que ocurre en puntos cuánticos o capas delgadas, donde la relajación elástica se realiza mediante la aparición de dislocaciones. Además, dependiendo de su tamaño, los nanohilos pueden considerarse en gran parte como material masivo (cuando su sección supera los 20 nm), lo que los convierte en una plataforma ideal para obtener materiales masivos de gran calidad cristalina. Por otro lado, si la sección es menor que 20 nm aproximadamente, los efectos de confinamiento cuántico aparecen, y esto abre la posibilidad de modular las propiedades físicas de los nanohilos por medio de un cambio controlado del tamaño del sistema. Además, se ha demostrado experimentalmente que los nanohilos pueden ser separados del sustrato donde son crecidos sin alterar sustancialmente sus propiedades, lo que facilita la realización de experimentos de transporte. la investigación en el campo de los nanohilos se agrupa a grandes rasgos en las siguientes áreas: búsqueda de mejoras en la fabricación mediante epitaxia de haces moleculares o deposición de vapor metálico orgánico, con la vista en una mayor calidad cristalina y su implementación en dispositivos electrónicos. Gracias al desarrollo experimentado por estas técnicas el crecimiento de nanohilos no se limita sólo a aquellos formados por un solo material, sino que ya se crecen nanohilos formados por aleaciones, con pozos o puntos cuánticos inmersos en el nanohilo, o formando estructuras coaxiales. Por otro lado, los investigadores dedicados a la espectroscopia de sólidos tienen a su disposición desafiantes muestras que necesitan de la caracterización de sus propiedades electrónicas, ópticas, vibracionales y de transporte, entre otras. en este contexto, el desarrollo de modelos teóricos que permitan la realización de simulaciones de las propiedades de nanohilos y que expliquen las propiedades físicas de dichas nanoestructuras, está más que justificada. En este trabajo hemos empleado diferentes modelos teóricos con el fin de estudiar las propiedades electrónicas y ópticas de los nanohilos iii-n, estudiando detalladamente los efectos del confinamiento cuántico en sus propiedades, cuando las dimensiones de los nanohilos varían. También hemos estudiado la influencia en la absorción óptica como resultado de variar la concentración de dopaje. A continuación damos una descripición de la estructura de esta tesis, especificando en que circunstancias y para que tipo de nanohilo es empleado cada modelo: capítulo 1: aquí hemos hecho una breve introducción de las principales propiedades de los semiconductores iii-n en su forma masiva, con un estudio de su estructura cristalina y sus propiedades electrónicas. Las implicaciones en las propiedades ópticas de cada compuesto en particular son tambien resumidas. Además, una revisión de los nanohilos existentes es mostrada, empezando por una ilustración de la fabricación y de los principios físicos que hacen que el crecimiento de los nanohilos sea posible. Una breve discusión de sus aplicaciones en la optoelectrónica ha sido incluida, junto con un esquema que resume los cálculos hechos en esta tesis. capítulo 2: en este capítulo presentamos los modelos teóricos usados en esta tesis para el estudio de nanohilos. Para complementar nuestra exposición, resultados propios de la estructura de bandas de los semiconductores iii-n son discutidos. Los modelos mostrados son la teoría del functional densidad, un método ab initio, dentro de la aproximación de la densidad local. Este modelo nos permite calcular la estructura de bandas de forma precisa y realista. Seguidamente presentamos los modelos empíricos, como el basado en pseudopotenciales y el de tight-binding (enlace fuerte). Los parámetros de los modelos empíricos son derivados de la información obtenida via cálculos ab initio, antes mencionados, y usados en los capítulos posteriores para los cálculos de las propiedades de nanohilos. capítulo 3: este capítulo engloba los cálculos de la estructura electrónica y las propiedades ópticas de nanohilos con métodos empíricos atomísticos, es decir, describiremos el nanohilo átomo por átomo, para tamaños donde el confinamiento cuántico es de importancia. El capítulo se puede dividir en dos grandes bloques. En el primero el método de los pseudopotenciales es usado para calcular los estados electrónicos de nanohilos de gan de hasta 10 nm aproximadamente, incluyendo una estrategia para tratar correctamente las superficies libres que los nanohilos poseen. En el segundo bloque el método tight-binding es usado para estudiar nanohilos iii-n. Respecto del método anterior, aquí podemos incrementar el tamaño de nuestros nanohilos hasta 20 nm, además de haber deducido parámetros para el conjunto completo de nitruros semiconductores. Es importante señalar aquí que la tecnología de crecimiento todavía no ha sintetizado nanohilos iii-n de suficiente calidad por debajo de un diámetro de 20 nm, aunque ya se han logrado nanohilos de entre 5 y 15 nm de diámetro para el caso del inp. Así, aunque los cálculos realizados aquí tienen el carácter de predicción, en vista de lo logrado en nanohilos de inp, pronto en el caso de los nanohilos iii-n se pueden dar las condiciones para su comparación con experimentos. capítulo 4: en el caso particular de los nanohilos de inn, se encuentra, que bajo determinadas condiciones de crecimiento, hay una acumulación de electrones cerca de la superficie, inherente al inn. La influencia de esta acumulación de carga en las propiedades ópticas tiene su importancia y se ha descrito experimentalmente. Sin embargo, el tratamiento átomo por átomo de las muestras a las que tenemos acceso, donde se superan ampliamente los 20 nm, puede requerir demasiado tiempo computacional en comparación con otros métodos, como la aproximación de la masa efectiva, que aunque siendo inexacta para sistemas pequeños (menores de 15 nm aproximadamente) es suficiente para realizar predicciones realistas en estos nanohilos. Así, hemos formulado un procedimiento autoconsistente para calcular la distribución de electrones dentro del nanohilo junto con el potencial electrostático. Después, el cálculo de la absorción es realizado y comparado con los experimentos.
Datos académicos de la tesis doctoral «Electronic structure and optical properties of iii-n nanowires«
- Título de la tesis: Electronic structure and optical properties of iii-n nanowires
- Autor: Alejandro Molina Sanchez
- Universidad: Universitat de valéncia (estudi general)
- Fecha de lectura de la tesis: 18/01/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Alberto Garcia Cristobal
- Tribunal
- Presidente del tribunal: enrique Louis cereceda
- giancarlo Cicero (vocal)
- Andrés Ayuela fernandez (vocal)
- Antonio justino Ruas madureira (vocal)