PHƯƠNG PHÁP DFT (SIESTA)
3.2. Dây nano dị chất dạng siêu mạng pha tinh thể GaN WZ-ZB
3.2.2. Các dây nano siêu mạng GaN và mô hình thụ động hóa của chúng
101
trận 3D khác và thường là được bao bọc bởi các khuyết tật mạng. Trong dây nano siêu mạng pha tinh thể, các cấu trúc dị chất dạng pha tinh thể có một vài ưu điểm được kỳ vọng so với loại siêu mạng thường, tức là từ các vật liệu khác nhau như sau: (i) sự thay đổi đột ngột của giao diện dị chất, trùng khớp với một mặt phẳng cơ sở đơn, (ii) đồng tính hóa học và (iii) độ sai lệch về hằng số mạng. Các mặt nền siêu mạng có thể được xem như một chuỗi các đơn mặt nền lập phương (ABC) bên trong ma trận lục giác (ABAB…) và lại được liên kết với một khả năng phát quang mạnh dẫn cho năng lượng exciton của nó cỡ 3.41-3.42eV. Với dây nano siêu mạng GaN sự tồn tại của lớp ZB với độ dày khác nhau chèn vào bên trong WZ mới chỉ được thông báo trong [29]
Trong nghiên cứu này các cơ sở của lớp lục giác WZ GaN sẽ chứa vài vòng lục giác của các nguyên tử vây quanh trục dây nano, song song với chiều WZ [001] hay cũng chính là trục z của mô hình (xếp chồng nối tiếp AB). Một lớp nền lục giác WZ chứa 24 nguyên tử với đường kính 10.1Å (xem hình 3.10a). Với lớp cơ sở của pha ZB một dạng hình lục giác của mặt phẳng cắt [4] (xếp chồng nối tiếp ABC) với kích thước phù hợp nó được tạo ra dạng một nền lục giác ZB chứa 25 nguyên tử với đường kính 11.7Å (xem hình 3.10b). Hình dạng của dây nano được chọn theo cách này để tối thiểu hóa số liên kết treo tại các nguyên tử lớp ngoài cùng, sao cho vùng pha WZ có các nguyên tử lớp ngoài có tối thiểu là 3 liên kết hóa học và chỉ để lại một liên kết treo cho mỗi nguyên tử ngoài rìa của dây vùng ZB, mỗi mặt nguyên tử có 3 nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lục giác với số phối vị (coordination number) là 2 nghĩa là đi kèm với 2 liên kết treo cho mỗi nguyên tử (xem hình thứ tư trong hình 3.10). Tức là có 3 nguyên tử Ga ở đỉnh trên một lớp nguyên tử này và tiếp theo là 3 nguyên tử Nitride ở đỉnh trên lớp nguyên tử tiếp theo, do vậy làm cho mật độ liên kết treo trên vùng ZB lớn hơn đáng kể so với vùng WZ. Điều này dẫn đến đóng góp nhiều hơn của miền ZB vào số các trạng thái bề mặt và việc tái thiết lại bề mặt.
Cần phải lưu ý rằng đối với một dây nano, việc tái thiết lại bề mặt là một yếu tố quan trọng có tác động mạnh đến các thuộc tính vật lý của các dây nano. Để đánh giá các ảnh hưởng từ tái thiết lại bề mặt, với mỗi dây nano, chúng tôi nghiên cứu một dây nano tham chiếu trong đó một số lượng nguyên tử giả Hydro được đưa thêm vào để làm bão hòa các liên kết treo, do đó khử đi việc tái thiết lại bề mặt và bảo toàn được gần như góc liên kết và chiều dài liên kết của vật liệu khối cho lớp nguyên tử bề mặt ngoài cùng. Đây là nguyên tử Hydro giả tưởng với điện tích phân số, nghĩa là có điện tích 3/4e hoặc 5/4e, trong đó e là điện tích điện tử, tùy thuộc vào liên kết treo là của một nguyên tử Nitride hay nguyên tử Ga. Chúng tôi gọi các dây nano tham chiếu này là các dây nano được thụ động hóa và các dây ban đầu là các dây nano chưa được thụ động hóa. Như vậy đối với dây
102
được thụ động hóa thì một lớp cơ sở WZ cần thêm 12 nguyên tử giả Hydro, còn lớp cơ sở ZB thì cần thêm 15 nguyên tử tương ứng.
Hình 3.10: Từ trái sang phải tương ứng là: giản đồ nguyên tử của lớp nền WZ GaN đã hồi phục2; Lớp nền ZB; SL một siêu mạng thực dạng WZ-ZB và một dây nano SL được thụ động hóa với các nguyên tử giả Hydro. Hình cầu màu be là nguyên tử Ga, màu xanh dương và xanh ngọc tương ứng với các nguyên tử Nitride trong miền WZ và ZB, màu trắng là giả Hydro điện tích 3/4e và xanh
sáng là giả Hydrogen điện tích 5/4e để thụ động hóa các liên kết treo.
Cấu trúc Số các nguyên tử Chiều dài hồi phục(Å) Tỷ lệ của lớp WZ:ZB A
B C AH BH CH
122 170 196 188 260 304
13.13 18.90 21.70 13.59 19.01 21.73
3:2 5:2 4:4 - - -
Bảng 3.6: Thông số chuỗi cấu trúc của các dây nano siêu mạng trong nghiên cứu này: dây nano siêu mạng ký hiệu là A, B, C và các dây siêu mạng được thụ động hóa của chúng AH, BH, CH.
Hình 3.11: Dây nano siêu mạng chưa thụ động hóa đã hồi phục A và B được trình bày dọc theo chiều rộng. Màu của các nguyên tử như được chú thích trong hình 3.10.
2 Hồi phục tức là giải tỏa biến dạng trên bề mặt hay đã tái thiết lại bề mặt và được cực tiểu hóa năng lượng theo hằng số mạng dọc trục.