Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires
and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic
and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the
influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our
results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement.
Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to
indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires.
We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of
charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found
the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of
the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective
mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system.
From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc
doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region,
whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The
analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce
shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires.
Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of
axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter
and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures
as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed
the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and
InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering
the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped
InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence
band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure
a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters.
From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters,
the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses
significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure
diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset
decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure. / Neste trabalho realizamos um estudo teórico, baseado na teoria do funcional da
densidade, em nanofios de InAs e InP e em heteroestruturas de nanofios InAs/InP. Inicialmente
estudamos a variação das propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas com
o diâmetro em nanofios de InAs e InP, e as possíveis alterações nas propriedades eletrônicas
destes sistemas sob a influência de uma tensão mecânica externa. Nossos resultados
mostram que todas as propriedades analisadas são alteradas com o aumento do confinamento
quântico. Além disso, a aplicação de uma tensão externa ao longo do eixo de
crescimento dos fios leva a uma transição de gap direto para indireto nos nanofios de
menores diâmetros.
A seguir, avaliamos os efeitos do confinamento quântico na massa efetiva dos portadores
de carga em nanofios de InAs crescidos em diferentes direções cristalográficas.
Encontramos que as massas efetivas dos elétrons e dos buracos aumentam com a redução
do diâmetro, independentemente da direção de crescimento dos nanofios. Contudo, no
intervalo de diâmetro estudado, a massa efetiva dos buracos nos nanofios é significativamente
menor do que a massa efetiva dos buracos no cristal.
Do estudo da estabilidade e das propriedades eletrônicas de nanofios de InAs dopados
substitucionalmente com cádmio e zinco observamos que, independentemente do
diâmetro dessas nanoestruturas, as impurezas de Cd são mais estáveis quando estão no
centro do nanofio, enquanto que as impurezas de Zn se distribuem quase que uniformemente
ao longo do diâmetro do fio. Do ponto de vista eletrônico, observamos que
estas impurezas introduzem níveis aceitadores rasos no gap de energia desses materiais
possibitando um comportamento tipo-p desses nanofios.
Por fim, determinamos: (i) as propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de
heteroestruturas axiais e radiais de nanofios InAs/InP para um determinado diâmetro; e
(ii) as propriedades estruturais e eletrônicas de heteroestruturas radiais InAs/InP como
uma função do diâmetro e da composição. Em (i), nossos resultados mostram que as propriedades
analisadas possuem valores intermediários entre aqueles dos nanofios de InAs e
InP de mesmo diâmetro. Em particular, observamos que a presença de uma camada de
InP sobre nanofios de InAs aumenta significativamente sua mobilidade eletrônica quando
comparada com a de um nanofio de InAs puro. Além disso, na heteroestrutura radial, o alinhamento
das bandas de condução e das bandas de valência favorece uma heteroestrutura
do tipo I, enquanto que na heteroestrutura axial, uma transição de uma heteroestrutura
do tipo I para uma heteroestrutura do tipo II poderá ocorrer neste intervalo de diâmetros.
Em (ii), para as heteroestruturas com diâmetros similares, observamos que a variação de
suas propriedades estruturais e eletrônicas com a composição possui desvios significativos
do comportamento linear, sendo estes dependentes do diâmetro dessas nanoestruturas.
O descasamento da banda de condução é aproximadamente nulo enquanto que o descasamento
da banda de valência diminui independente do diâmetro e da composição da
heteroestrutura.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3895 |
| Date | 29 July 2011 |
| Creators | Santos, Cláudia Lange dos |
| Contributors | Piquini, Paulo Cesar, Cotta, Monica Alonso, Nunes, Ricardo Wagner, Fagan, Solange Binotto |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 300, 300, 300, 300, 500, fd6922d3-ec6f-44ef-947e-a60a90ff9691, 36403e51-0aee-4055-8e8d-ca7bc417e7d1, 3e6e3640-df3b-485e-8a66-4c1569ec81f9, abeb4f6d-1618-4647-bcb0-e3520cbda9af, 56837f3c-d8bd-4f1f-b335-f71c518c1b91 |
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