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Substitutions- und Leerstandsfehler im zweidimensionalen ALSB: ein erster prinzipieller Ansatz

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Substitutions- und Leerstandsfehler im zweidimensionalen ALSB: ein erster prinzipieller Ansatz.

ABSTRACT

AlSb ist ein Halbleitermaterial, das sowohl im 3D- als auch im 2D-Bereich existiert. AlSb haben eine hohe Elektronenmobilität, die für die Anwendung in elektronischen Hochgeschwindigkeitsgeräten nützlich ist.

AlSb hat potenzielle Anwendungen in der Strahlungsdetektion. Es wurde gezeigt, dass Defekte, einschließlich intrinsischer und extrinsischer, die Leistung von AlSb für Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik beeinflussen.

In dieser Arbeit wurde die Dichtefunktionaltheorie mit Hilfe der verallgemeinerten Gradientennäherung verwendet, um die Stabilität sowie die Bildung von Al- und Sb-Leerstellen, Li- und Be-Substitutionen in hexagonalem 2D-AlSb zu modellieren.

Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der oben genannten Defekte in AlSb wurden berichtet. Unter Gleichgewichtsbedingungen ist die Aluminiumleerstelle (V.Al) ist energetisch günstiger als die Antimon-Leerstelle (V.Sb).

Während die Be-Substitution an der Al-Atomstelle stabiler ist, ist die Li-Substitution an der Sb-Atomstelle stabiler. Die untersuchten Defekte modulierten die Bandlücke des AlSb.

Während die p Das Orbital des Sb-Atoms trug die dominanten Zustände in der Bandlücke des Wirts für alle Defekte bei, die p Das Orbital von Al trug immens zu den Defektzuständen bei.

Die Ergebnisse zeigen ferner, dass die Verwendung der verallgemeinerten Gradienten-Näherung voraussagt, dass sowohl defektes AlSb als auch makelloses AlSb metallisch sind. Dies hat den Weg für weitere Untersuchungen unter Verwendung genauerer Austauschkorrelationsnäherungen geebnet.

INHALTSVERZEICHNIS

Zusammenfassung i
Danksagung ii
Widmung iii
Inhaltsverzeichnis vi
Liste der Abkürzungen vii
Abbildungsverzeichnis viii
Tabellenverzeichnis ix
1 Einführung 1
1.1 Hintergrund. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Motivation und Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Ziele. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Übersicht und Zusammenfassung. . . . . . . . 3
2 Elektronische Strukturmethoden und Berechnungen 4
2.1 Variationsprinzip. . . . . . . . . . 4
2.2 Vielteiliger Hamiltonianer. . . . . . . . . 4
2.3 Born-Oppenheimer-Näherung. . . . . 6
2.4 Hartree-Näherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4.1 Hartree-Fock-Näherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5 Dichtefunktionaltheorie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.1 Hohenberg-Kohn-Formalismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5.2 Die Kohn-Sham-Gleichungen. . . . . . . 14
2.6 Austauschkorrelationsfunktionen. . . . ... . . 16
2.6.1 Die lokale Dichteanpassung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.2 Die verallgemeinerte Gradientennäherung. . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.3 Hybridfunktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Pseudopotential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7.1 Normschonende Pseudopotentiale. . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7.2 Ultraweiche Pseudopotentiale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7.3 Die projektorverstärkte Wellenmethode. . . . . 21
2.8 Basissatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.9 Brillouin-Zone. . . . . . . . 21
3 Literaturübersicht 23
3.1 Materialfehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Oberflächenfehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2 Leitungsfehler (Versetzungen). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3 Punktfehler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Mängel an AlSb und anderen Legierungen. . . . . . . 26
4 Methodik 30
4.1 Berechnungsdetails. . . . . . . . . . 30
4.2 Test der Superzellengröße. . . . . . . . . 30
4.3 Prüfung der Abschaltenergie. . . . ... . . . 31
4.4 Test der k-Punkte. . . . . . . . . . 32
4.5 Berechnungsdetails. . . . . . . . . . . 33
5 Ergebnisse 34
5.1 Strukturelle Eigenschaften. . . . . 34
5.2 Stabilität und Energetik von Defekten. . . . . . . . . . . . . 36
5.3 Elektronische Eigenschaften. . . . . . . ... . . 37
6 Schlussfolgerungen 39
6.1 Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . 39
6.2 Empfehlung. . . . . . . 39
Bibliographie 41

EINFÜHRUNG

Dieses Kapitel enthält eine kurze Einführung in das Thema von Interesse - Substitutions- und Vakanzdefekte in zweidimensionalem hexagonalem AlSb. Die Motivation der Studie, die Ziele und die Zusammenfassung der Arbeit werden in diesem Kapitel vorgestellt.

1.1 Hintergrund

Eigenschaften von Hochdruckmaterialien einschließlich AlSb, AlSi, CdTe, C-BN, C-BC2N, TiB2, SiC, TiN reichen unter anderem von supraleitendem Verhalten bis zu superharten Eigenschaften, hoher Dichte, hoher Inkompressibilität, hoher Wärmeleitfähigkeit, nichtlinearen optischen Eigenschaften (Frequenzverdopplung) und ungewöhnlichen elektronischen und magnetischen Eigenschaften.

Diese einzigartigen Eigenschaften können für Anwendungen in Halbleiterdioden und Lasern genutzt werden [1], Energiespeichermaterialien [2], Hochtemperaturelektronik- und Optoelektronikanwendungen [3].

In den letzten Jahren haben zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen, Phosphoren, Übergangsmetalldichalkogenide und Bornitrid (BN) in ihrem Monoschichtregime das Potenzial, bestehende Technologien zu verbessern und eine Reihe neuer Anwendungen für die zukünftige Optoelektronik zu schaffen Nano-Geräte aufgrund ihrer außergewöhnlichen elektrischen, mechanischen und optischen Eigenschaften [4].

2D-AlSb ist aufgrund seiner vielen Eigenschaften wie Monoschichtmaterialien von erheblichem Forschungs- und technischem Interesse. Es hat eine direkte und indirekte Energielücke von 1.62 eV bzw. 1.31 eV, gekoppelt mit einer einzigartigen Bandausrichtung [5].

In der Vergangenheit wurde AlSb in optoelektronischen Geräten eingesetzt [6], Strahlungsdetektion [7], Anwendung für die Speicherung von Lithiumionen und Natriumionen [8] und als Pufferschicht für das epitaktische Wachstum von GaSb [.9].

LITERATUR 

Drain, Laser Ultraschall Techniken und Anwendungen. Routledge, 2019.

Klein, A. Altman, R. Saballos, J. Walsh, A. Tamerius, Y. Meng, D. Puggioni, Jacobsen, J. Rondinelli und D. Freedman, „Hochdrucksynthese des BiVO3 Perowskit ”Physical Review Materials, vol. 3, nein. 6, p. 064411, 2019.

Cheng, C. Wang, X. Zou und L. Liao, „Jüngste Fortschritte bei optoelektronischen Geräten auf der Basis von 2D-Materialien und ihren Heterostrukturen“, Advanced Optical Materials, vol. 7, nein. 1, p. 1800441, 2019.

Long, P. Wang, H. Fang und W. Hu, "Fortschritte, Herausforderungen und Chancen für auf 2D-Material basierende Fotodetektoren", Advanced Functional Materials, vol. 29, nein. 19, p. 1803807, 2019.

Singh, SK Gupta und Y. Sonvane, "Strukturelle und optoelektronische Eigenschaften von 2D-AlSb-Monoschichten", in AIP Conference Proceedings, vol. 1731, p. 120018, AIP Publishing, 2016.

Cheewajaroen, P. Saengkaew, S. Sanorpim, V. Yordsri, C. Thanachayanont, Nuntawong und W. Rathanasakulthong, „Charakterisierung von Aluminiumantimoniden vom N- und P-Typ auf Si-Substraten für optoelektronische Geräte bei Raumtemperatur“, Materials Science in Semiconductor Processing, vol. 88, S. 224–233, 2018.

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