A interação spin-órbita tem desempenhado um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade. Em resultados recentes abordando o modelo de Kane para sistemas cúbicos, particularmente redes zincblende, hamiltonianos efetivos são calculados por meio da técnica algébrica conhecida como folding down seguida de um processo de linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia com a devida correção na normalização do espinor da banda de condução [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. Motivados por estes estudos, este trabalho se concentra no estudo algébrico da estrutura eletrônica de semicondutores de rede wurtzita. Usando as simetrias da rede hexagonal, o modelo de Kane 8 × 8 é formulado levando em conta todos os acoplamentos mediados pelos operadores momentum linear e angular de spin. Mostramos que a base de oito estados vinda da diagonalização exata da matriz associada à interação spin-órbita fornece um tratamento unificado entre os sistemas hexagonal e cúbico, o que pode ser muito útil no estudo de politipismos. Através de um modelo efetivo baseado na expansão em ordens do inverso do gap de energia, determinamos a equação que descreve o comportamento de um elétron de condução em poços quânticos e em estruturas semicondutoras na fase bulk. Em particular, destacamos a presença de massas efetivas e a emergência de uma interação dependente em spin na forma do operador helicidade no plano já em primeira ordem de aproximação, algo não observado em sistemas cúbicos. A heteroestrutura é investigada no âmbito do modelo de uma e duas subbandas dos poços quânticos das junções semicondutoras. Incluindo o campo de radiação, encontramos a equação efetiva que descreve a interação elétron-fóton analisando ainda as taxas de transição óptica do sistema. Observa-se que as transições ópticas são diretamente mediadas por spin e dependem da direção de incidência do fóton seja no poço quântico ou na monoestrutura semicondutora. Uma vez que estas transições ópticas induzem a mudança na orientação do spin eletrônico, estes resultados podem ser úteis na construção de novos dispositivos optoeletrônicos tendo a wurtzita como cenário. Considerando o hamiltoniano em primeira ordem no inverso do gap de energia relativo ao modelo de uma subbanda, verificamos que a evolução temporal do operador posição do elétron de condução varia linearmente no tempo e não exibe o efeito Zitterbewegung. Associado a evolução temporal dos operadores de spin que oscilam no tempo, o movimento linear garante a formação de um campo harmônico onde os spins precessam. Como apontado no caso cúbico, a precessão do spin de elétrons injetados no poço quântico sob polarização de 45° pode levar à formação spin gratings devido ao espaçamento da ordem de alguns nanômetros destas entidades. Calculamos ainda o shift no vetor de onda de elétrons injetados no canal semicondutor do transitor Datta-Das formado por redes wurtzita. / The spin-orbit interaction has played a crucial role in the development of low-dimensional semiconductor devices. In recent results addressing the 8 × 8 Kane model for cubic systems, particularly zincblende lattices, effective hamiltonians for the conduction band are calculated in a semi-analytical way. By folding down the Kane hamiltonian, the spinor components in the conduction band are isolated, resulting in an equation having the energy in denominators. Through a linearization process, controlled by a power expansion in the inverse of the energy gap, the energy is removed from the denominators and an effective hamiltonian is obtained. In a zincblende system, terms dependent on spin only appear in the effective hamiltonian of second order in the inverse of the energy gap of a heterostructure [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. In this masters thesis we apply this semi-analytical procedure to generate effective hamiltonians for the conduction band of wurtzite systems. Using the symmetries of the hexagonal lattice, the 8 × 8 Kane model is reviewed by taking into account all couplings mediated by the linear momentum and spin angular momentum. We show that exists an unified treatment for the Kane model of zincblende and wurtzite systems, which can be very useful in studies with nanowhiskers. We have found a first-order effective Hamiltonian having terms dependent on spin even in the bulk case. One of these spin-dependent terms is the helicity operator. The spin-orbit interaction only appears in the second order expansion. Considering the first order hamiltonian, we have calculated the Zitterbewegung effect and discussed the Datta-Das transistor. We have found that only the spin operators exhibit the Zitterbewegung effect. The linear dependence with time shown by the position operators make of the spin operators harmonic fields, which form spin grattings similar to those found in zincblende heterostructures (persistent spin helix). We have also included a radiation field and calculated the (direct) optical transitions assisted by spin. We have found that the transition rates are harmonic functions of the incidence angle.

A interação spin-órbita tem desempenhado um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade. Em resultados recentes abordando o modelo de Kane para sistemas cúbicos, particularmente redes zincblende, hamiltonianos efetivos são calculados por meio da técnica algébrica conhecida como folding down seguida de um processo de linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia com a devida correção na normalização do espinor da banda de condução [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. Motivados por estes estudos, este trabalho se concentra no estudo algébrico da estrutura eletrônica de semicondutores de rede wurtzita. Usando as simetrias da rede hexagonal, o modelo de Kane 8 × 8 é formulado levando em conta todos os acoplamentos mediados pelos operadores momentum linear e angular de spin. Mostramos que a base de oito estados vinda da diagonalização exata da matriz associada à interação spin-órbita fornece um tratamento unificado entre os sistemas hexagonal e cúbico, o que pode ser muito útil no estudo de politipismos. Através de um modelo efetivo baseado na expansão em ordens do inverso do gap de energia, determinamos a equação que descreve o comportamento de um elétron de condução em poços quânticos e em estruturas semicondutoras na fase bulk. Em particular, destacamos a presença de massas efetivas e a emergência de uma interação dependente em spin na forma do operador helicidade no plano já em primeira ordem de aproximação, algo não observado em sistemas cúbicos. A heteroestrutura é investigada no âmbito do modelo de uma e duas subbandas dos poços quânticos das junções semicondutoras. Incluindo o campo de radiação, encontramos a equação efetiva que descreve a interação elétron-fóton analisando ainda as taxas de transição óptica do sistema. Observa-se que as transições ópticas são diretamente mediadas por spin e dependem da direção de incidência do fóton seja no poço quântico ou na monoestrutura semicondutora. Uma vez que estas transições ópticas induzem a mudança na orientação do spin eletrônico, estes resultados podem ser úteis na construção de novos dispositivos optoeletrônicos tendo a wurtzita como cenário. Considerando o hamiltoniano em primeira ordem no inverso do gap de energia relativo ao modelo de uma subbanda, verificamos que a evolução temporal do operador posição do elétron de condução varia linearmente no tempo e não exibe o efeito Zitterbewegung. Associado a evolução temporal dos operadores de spin que oscilam no tempo, o movimento linear garante a formação de um campo harmônico onde os spins precessam. Como apontado no caso cúbico, a precessão do spin de elétrons injetados no poço quântico sob polarização de 45° pode levar à formação spin gratings devido ao espaçamento da ordem de alguns nanômetros destas entidades. Calculamos ainda o shift no vetor de onda de elétrons injetados no canal semicondutor do transitor Datta-Das formado por redes wurtzita. / The spin-orbit interaction has played a crucial role in the development of low-dimensional semiconductor devices. In recent results addressing the 8 × 8 Kane model for cubic systems, particularly zincblende lattices, effective hamiltonians for the conduction band are calculated in a semi-analytical way. By folding down the Kane hamiltonian, the spinor components in the conduction band are isolated, resulting in an equation having the energy in denominators. Through a linearization process, controlled by a power expansion in the inverse of the energy gap, the energy is removed from the denominators and an effective hamiltonian is obtained. In a zincblende system, terms dependent on spin only appear in the effective hamiltonian of second order in the inverse of the energy gap of a heterostructure [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. In this masters thesis we apply this semi-analytical procedure to generate effective hamiltonians for the conduction band of wurtzite systems. Using the symmetries of the hexagonal lattice, the 8 × 8 Kane model is reviewed by taking into account all couplings mediated by the linear momentum and spin angular momentum. We show that exists an unified treatment for the Kane model of zincblende and wurtzite systems, which can be very useful in studies with nanowhiskers. We have found a first-order effective Hamiltonian having terms dependent on spin even in the bulk case. One of these spin-dependent terms is the helicity operator. The spin-orbit interaction only appears in the second order expansion. Considering the first order hamiltonian, we have calculated the Zitterbewegung effect and discussed the Datta-Das transistor. We have found that only the spin operators exhibit the Zitterbewegung effect. The linear dependence with time shown by the position operators make of the spin operators harmonic fields, which form spin grattings similar to those found in zincblende heterostructures (persistent spin helix). We have also included a radiation field and calculated the (direct) optical transitions assisted by spin. We have found that the transition rates are harmonic functions of the incidence angle.

O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

O presente trabalho é um estudo sobre a importância da informação dos orbitais atômicos no cálculo de propriedades optoeletrônicas de heteroestruturas semicondutoras de baixa dimensionalidade. O trabalho é dividido em duas partes: na primeira parte, é estudada a simetria de reversão temporal no hamiltoniano k . p, analisando a preservação da informação de spin presente nos orbitais atômicos. O hamiltoniano obtido é inserido na equação de massa efetiva expandida para superredes. São calculadas estruturas de bandas de alguns poços quânticos de semicondutores III-V e grupo-IV. Compara-se o novo método com os tradicionais, e então são analisadas algumas grandezas que apresentam alteração significativa entre os métodos usados; A segunda parte é composta por um estudo detalhado do potencial de troca-correlação em semicondutores dopados. A matriz que descreve este potencial é escrita usando a distribuição de portadores presentes nos orbitais atômicos da rede cristalina, e os coeficientes desta matriz foram calculados usando quatro modelos para a correção de muitos corpos, baseadas nas aproximações LDA (Local density approximation) e LSDA (Local spin density approximation), com o objetivo de comparar as diversas parametrizações. Usando o método k . p tradicional, expandido para superredes, foram simulados sistemas δ-doped e hMni-δ-doped de Si, através de um cálculo autoconsistente baseado na equação de Poisson. A magnetização dos portadores é descrita por um modelo de campo médio. Foram analisados os perfis de potencial, estruturas de bandas, polarização de portadores e espectros de fotoluminescência para determinar as diferenças entre as aproximações utilizadas. / This work is a study about the atomic orbitals information importance in the calculation of optoelectronics properties of low dimensionality semiconductors. The work is divided in two parts. In the first one, a study of the time reversal symmetry of the k . p Hamiltonian is realized analyzing the preservation of the spin information present in the atomic orbitals. The obtained Hamiltonian is applied in the effective mass equation expanded to superlattices. Some calculations of quantum wells band structures are made using III-V and group-IV semiconductors, comparing the new method with the conventional ones to obtain an analysis of the difference of some physics properties. The second part is a detailed study of the exchangecorrelation potential in doped semiconductors. The matrix coefficients are calculated using the charge distribution of the crystalline lattice atomic orbitals, applied in some LDA (Local density approximation) and LSDA (Local spin density approximation) parameterizations to compare them. Using the conventional k . p method expanded to superlattices, Si δ-doped and hMni-δ-doped systems were calculated through a self consistent calculation based on Poissons equation. The carriers magnetization is described by an average field model. The potential profiles, band structures, carrier polarization and photoluminescence spectra were analyzed to obtain the difference between the approaches.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5844.pdf: 11430873 bytes, checksum: b80a5790a9ebf6ae63ff48e52968ae60 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Universidade Federal de Sao Carlos / O crescimento e caracterização de sistemas de heteroestruturas semicondutoras quasi-unidimensionais têm atraído grande interesse devido à sua potencial de aplicação tecnológica, como foto-detectores, dispositivos opto-eletrônicos assim como seu para o processamento de informação quântica e aplicações em fotônica. O objetivo desta tese é o estudo das propriedades de transporte eletrônico e de spin em sistemas semicondutores quasi-unidimensionais, especificamente trataremos de nanofios (NWs) homogêneos, NWs acoplados, NWs do tipo plano-geminado (TP), diodos de tunelamento ressonante (ETD) e cadeias de pontos quânticos (QDCS). Escolhemos o método k-p, particularmente o Hamiltoniano de Luttinger, para descrever os efeitos de confinamento e tensão biaxial. Este sugeriu uma modulação do caráter do estado fundamental que, complementada com a dinâmica fônons fornecidas pelas simulações da Dinâmica Molecular (MD), permitiu a descrição da modulação da mobilidade de buracos por emissão ou absorção de fônons. Em relação ao sistema de NWs acoplado,estudamos, através do método da matriz de transferência (TMM), as propriedades de transporte de elétrons e spin sob a interação de spin-órbita (SOI) de Eashba, localizada na região de acoplamento entre fios. Foram consideradas várias configurações de tensões de gate (Vg) aplicadas nos fios. Desse modo, compreendemos a modulação do transporte de spin quando esse é projetado no direção-z através da combinação do SOI e das dimensionalidades do sistema. Da mesma forma, a combinação de SOI e da Vg aplicada deu origem a modulação da polarização, quando o spin medido é projetado na mesma direção em que o SOI de Eashba atua, a direção y. Usando o TMM, exploramos as propriedades de transporte de um DBS e o efeito de uma resistência em série com o intuito de provar a natureza da biestabilidade das curvas características I V bem como o aumento de sua área com temperatura, resultados fornecidos por experimentos. O modelo indicou que aumentando da resistência pela diminuição sa temperatura aumenta a área biestável. A presença de uma hetero-junção adicional ao sistema induz uma densidade de carga nas suas interfaces. De acordo com esta configuração, a queda de tensão total do ETDS muda, podendo ser confirmada experimentalmente. A formação dos peculiares campos de deformação e sua influência sobre a estrutura eletrônicas e propriedades de transporte em superredes de TP foi estudada sistematicamente. Assim, as propriedades de transporte, de ambos os elétrons e buracos, pode ser sintonizada eficientemente, mesmo no caso de elétrons r em sistemas de blenda de zinco, contrastando com a prevista transparência de elétrons r em superredes de semicondutores III-V heteroestruturados. Além disso, constatamos que a probabilidade de transmissão para buracos da banda de valência também poderia ser efetivamente modificada através de uma tensão externa.Por fim, colaboradores sintetizaram com sucesso sistemas de QDCs de InGaAs através da epitaxia de feixe molecular e engenharia de tensão. Um comportamento anisotrópico da condutância com a temperatura foi observado em QDCs com diferentes concentrações de dopagem, medida realizada ao longo e entre os QDCs. O modelo teórico 1D de hoppíng desenvolvido mostrou que a presença de estados OD modela a resposta anisotrópica da condutância neste sistemas. / The growth and characterization of semiconductor quasi-one-dimensional heterostructure systems have attracted increasing interest due to their potential technological application, like photo-detectors, optoelectronic devices and their promising features for quantum information processing and photonic applications. The goal of this thesis is the study of electronic and spin transport properties on quasi-one-dimensional semiconductor systems; specifically, homogenous nanowires (NWs), coupled NW s, twin-plane (TP) NWs, resonant tunneling diodes (RTDs), and quantum dot chains (QDCs). The k-p method, in particular the Luttinger Hamiltonian, was chosen to describe the effects of biaxial confinement and strain. This suggested a modulation of the ground state character that, complemented with the phonon dynamics provided by Molecular Dynamics (MD) simulations, allowed the description of the hole mobility modulation by either phonon emission or absorption. Regarding the coupled NW s system, the electron and spin transport properties affected by a Rashba spin-orbit interaction (SOI) at the joined region were unveiled through the Transfer Matrix Method (TMM). Various configurations of gate voltages (Vg), applied on the wire structure, were considered. We were able to understand the modulation of the spin transport projected in the z-direction trough the combination of the SOI and the system dimensionalities. Likewise, the combination of SOI and applied Vg gave rise to a modulation of the polarization, when the measured spin is projected in the same direction where the Rashba SOI acts, the y-direction. The transport properties of a DBS and the effect of a resistance in series was explored within the TMM to prove the nature of a bistability of the I V characteristics and its enhanced area with temperature provided by the experiment. The model indicates that increasing the resistente by decreasing the temperature, the bistable area enhances. The presence of an additional heterojunction induces a sheet charge at its interfaces. Under this configuration, the total voltage drop of the RTD changes and can be confirmed experimentally.The formation of the peculiar strain fields and their influence on the electronic structure and transport properties of a TP superlattice was systematically studied. Hence, the transport properties of both electrons and holes could be effectively tuned even in the case of T-electrons of zincblende systems, contrasting to the predicted transparency of T-electrons in heterolayered III-V semiconductor superlattices. Also, the transmission probability for holes at valence band could also be effectively modified by applying an external stress. Finally, using molecular-beam-epitaxy and skillful strain engineering, systems of In-GaAs QDCs were successfully synthesized by collaborators. The QDCs with different doping concentrations showed an anisotropic behavior of the conductance, measured along and across the QDCs, with temperature. The theoretical ID hopping model developed found that the presence of OD states shapes the anisotropic response of the conductance in this system.