Nanomeeting

 
 

Вход

Личные сообщения

Вы не авторизованы.

RSS-лента

 Хотите первыми получать новости с сайта NanoPlatfom.by? Это очень просто. Подпишитесь на RSS ленту. 

Подписаться на новости NanoPlatform.By

Литература

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - 2011 Микроэлектроника

Ссылки

Министерство образования Республики Беларусь Nanomeeting - internatiol conference Национальная академия наук Беларуси Государственный комитет по науке и технологиям ВАК - Высшая аттестационная комиссия

Исследование электронных свойств тонких пленок SnSметодами из первых принципов

 

В настоящее время преобразование солнечной энергии становится одной из наиболее динамично развивающихся отраслей высокотехнологичной промышленности. Современные солнечные батареи являются перспективными с точки зрения экономической эффективности, а также простоты изготовления. Тем не менее, большинство материалов, используемых для изготовления тонкопленочных солнечных элементов, являются токсичными и редкими. В противоположность этому, сульфид олова (SnS) не имеет этих недостатков. Он состоит из элементов, которые широко распространены в природе, и обладает привлекательными оптическими свойствами. Сульфид олова может быть экспериментально сформирован в нескольких фазах и стехиометриях. Согласно теоретическим и экспериментальным литературным данным, материал является полупроводником. К сожалению, низкоразмерные структуры SnSменее изучены. Далее представлены результаты теоретического моделирования электронных свойств двумерных тонких пленок SnS, а также изменения запрещенной зоны в зависимости от толщины пленки или ориентации поверхности.

Энергетические зонные спектры объемного SnS вдоль направлений высокой симметрии приведены на рис. 1. Обе фазы сульфида олова оказались непрямозонными полупроводниками, что хорошо коррелирует с экспериментальными данными. Теоретически-полученные значения ширины запрещенной зоны составляют 0,90 и 0,32 эВ для a-SnSи β-SnS, соответственно, в то время как эксперимент дает ~1.0‑1.5 эВ. Отличительной особенностью зонных структур является то, что максимум валентной зоны (МВЗ) не находится в точке Г, как это обычно бывает в полупроводниках (например, Siили GaAs). Минимум зоны проводимости (МЗП), для β-SnS находится в точке Γ,в то время как для a-SnSон расположен в направлении Γ-Y. Это можно объяснить довольно сложными кристаллическими структурами с неидеальными атомными позициями.

Рисунок 1. Зонные структуры α-SnS(а) и β-SnS(б) вдоль направлений высокой симметрии орторомбической зоны Бриллюэна. Ноль на шкале энергии соответствует положению уровня Ферми.

 

Зонные структуры пленок орторомбических фаз SnS, содержащих 6 элементарных ячеек в одном из направлений, для трех ориентаций поверхности изображены на рис. 2. Из представленного рисунка видно, что двумерные наноструктуры SnSсохраняют свой полупроводниковый характер независимо от толщины или кристаллографической ориентации пленки. Интересной особенностью является то, что пленки β-SnScкристаллографическими ориентациями (100) и (001) характеризуются прямым переходом в точке Γ. Характер верхних валентных зон и нижних зон проводимости для пленок α-SnSс ориентацией (100) и β-SnSс ориентацией (010) практически совпадает с аналогичными спектрами для объемных материалов.

Рисунок 2. Зонные структуры орторомбических 6-слойных пленок α-SnS(а) и β-SnS(б). Толстые штрих-пунктирная линия соответствует верхней валентной зоне и нижней зоне проводимости объемного материала. Ноль на шкале энергии соответствует положению уровня Ферми.

 

Подробный анализ полных и парциальных плотностей электронных состояний показал, что независимо от фазы и кристаллографической ориентации поверхности, валентная зоны вблизи уровня Ферми (2 ... 0 эВ) характеризуется в основном гибридизацией 3р-электронов Sс 5s- и 5p-электронами Sn. Зоны проводимости вблизи уровня Ферми определяются в основном 5р-электронами Snс небольшой примесью S3р-электронов. Подобное поведение наблюдалось ранее для объемных материалов. Кроме того, было установлено, что состояния как валентной зоны, так и зоны проводимости вблизи уровня Ферми в основном определяются электронами атомов Snи S, лежащих далеко от поверхности пленки. Единственным исключением является поверхность α-SnS(010), в которой поверхностные атомы играют главную роль. Анализ межатомных расстояний показал, что длина связи Sn-Sна поверхности меньше, чем для глубоко лежащих атомов и в объемном соединении, за исключением поверхностей α-SnS(100) и β-SnS(010), где эти значения равны.

Зависимость ширины запрещенной зоны от толщины пленки представлена ​​на рис. 3. Очевидно, что с увеличением толщины пленки значения ширины запрещенной зоны уменьшаются для всех рассматриваемых соединений и поверхностей. Значения приближаются к ширине запрещенной зоны в объеме, а в случае поверхности α-SnS(001) они становятся еще меньше.

Рисунок 3. Зависимость ширины запрещенной зоны пленок α-SnS(а) и β-SnS(б) от их толщины (d). Горизонтальная пунктирная линия соответствует ширине запрещенной зоны в объемных соединениях.

 

Электронные свойства тонких пленок двух орторомбических фаз SnSс тремя поверхностями (100), (010) и (001) были изучены путем расчетов из первых принципов. Все структуры показали себя полупроводниками. Значения ширины запрещенной зоны тонких пленок, которые оказались больше, чем в объемных материалах вследствие эффекта квантового ограничения, уменьшается с увеличением толщины пленки, приближаясь к значениям объемных SnS. В большинстве случаев электронные состояния вблизи запрещенной зоны определяются объема, а не поверхности пленки.

Сайт сделан в Центре Наноэлектроники и Новых Материалов, НИЧ БГУИР, по заказу Министерства Образования РБ.