contactanos


Tesis

Determinación teórica de estructuras de superficie en Nitruro de Galio dopado con Manganeso

2012



Tesista Fabián Leonardo SARMIENTO VILLAMIL
Ingeniero Electromecánico - Universidad Francisco de Paula Santander - Colombia
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
Directores Dra. Valeria FERRARI.  CNEA, UNSAM, CONICET - Argentina
Dra. M. Andrea BARRAL.  CNEA, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciònGerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa 26/09/2012
Jurado Dra. Paula Regina ALONSO.  CNEA, UNSAM - Argentina
Dra. Solange DI NAPOLI.  CNEA, UBA, CONICET - Argentina
Dra. Viviana Patricia RAMUNNI.  CNEA, CONICET - Argentina
Código IS/T 135/12

Título completo

Determinación teórica de estructuras de superficie en Nitruro de Galio dopado con Manganeso

Resumen

Los semiconductores dopados con iones magnéticos son materiales sumamente interesantes debido a las propiedades magnéticas que presentan, las cuales pueden ser potencialmente utilizadas en aplicaciones a dispositivos espintrónicos. Dentro de esta familia de materiales encontramos el Nitruro de Galio (GaN) dopado con átomos de manganeso (Mn), sobre el cual focalizamos el estudio en esta tesis. El principal objetivo de este trabajo es evaluar, mediante simulaciones de primeros principios, las heteroestructuras que se forman cuando el Mn es depositado en la superficie de GaN(0001). Planteamos diversos modelos estructurales de la misma, a partir de las observaciones experimentales realizadas por el grupo del Profesor A. Smith (Ohio University), con quien colaboramos en este trabajo. En una primera etapa, evaluamos y analizamos la estructura de bandas del GaN en volumen, tanto en fase zincblenda como en fase wurtzita, empleando por un lado el método de enlaces fuertes y por otro lado, la teoría de la funcional densidad. Los gaps de energía obtenidos muestran que el GaN en volumen es un semiconductor de gap directo. Calculamos la densidad de estados para la fase wurtzita, observando que la banda de valencia está compuesta principalmente por orbitales de los átomos de N, mientras que la banda de conducción presenta contribuciones de orbitales provenientes tanto de átomos de Ga como de N. Nuestros resultados muestran un buen acuerdo con los obtenidos por otros autores en la literatura. En una segunda etapa, investigamos las propiedades estructurales y electrónicas de la superficie de GaN(0001) empleando técnicas de primeros principios. De este estudio observamos que la superficie presenta un carácter metálico, producto de tres bandas de superficie que cruzan el nivel de Fermi, dos de las cuales exhiben un comportamiento altamente dispersivo. Finalmente estudiamos, desde el punto de vista energético y estructural, las posibles periodicidades que puede presentar la superficie de GaN(0001) cuando se depositan átomos de Mn sobre la misma. Esta evaluación la realizamos proponiendo diferentes cubrimientos de la capa de Mn, obteniendo que el cubrimiento de 1/3 de monocapa es el más favorable energéticamente. Es importante destacar que este cubrimiento está presente en la estructura , que ha sido observada experimentalmente, y también en el arreglo periódico 3x3 con trímeros de Mn, siendo esta última la estructura energéticamente más estable.

Complete Title

Theoretical finding of surface structures in Mn-doped gallium nitride

Abstract

Semiconductors doped with magnetic ions constitute very interesting materials due to their magnetic properties, which can potentially be used in applications to spintronic devices. To this family of materials belongs the system on which we focus on this thesis, namely Gallium Nitride (GaN) when doped with manganese atoms. The aim of this work is to evaluate, by means of first-principles simulations, the heterostructures found when depositing manganese on a GaN(0001) surface. We propose diferent structural models of the surface, inspired in experimental observations made by the group of Professor A. Smith (Ohio University) with whom we collaborate in this work. In a first stage, we obtain and analyze the band structure of GaN bulk, both for the zincblende and wurtzite crystal structures, using both the tight binding method and the density functional theory. We calculate the density of states for wurtzite and the contribution of the diferent orbitals involved. The energy gaps show that GaN bulk is a direct bandgap semiconductor. We calculate the density of states for wurtzite and found that the valence band is mainly composed of N orbitals, whereas the conduction band has contributions from both Ga and N orbitals. Our results are in good agreement with those obtained by other authors in the literature. In a second stage, we analyze the structural and electronic properties of GaN(0001)-1x1 surfaces using first-principles techniques. From this study we found that the surface presents a metallic character, as a result of three surface bands crossing the Fermi level, with two of them exhibiting a highly dispersive behavior. Finally, we study the possible periodicities that might occur in the GaN(0001) surface when Mn atoms are deposited on it. We use a total energy approach focusing also on the structural properties of the system. We propose diferent coverages of the surface, obtaining that 1/3 monolayer is the preferred coverage. Interestingly, this coverage is present in the experimentally observed structure as well as in a 3x3 arrangement with trimers of manganese atoms, being the latter the energetically most stable structure.

volver al listado

Bajate la app del
Instituto Sabato

Una fuente de información útil y un canal de comunicación para toda la comunidad universitaria.

PROXIMAMENTE