Aspectos estruturais e eletronicos de clusters de silicio e germanio dopados com nitrogenio

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DATA DE PUBLICAÇÃO

2001

RESUMO

A importância dos semicondutores no campo tecnológico tem sido contrastado pela ausência significativa de informações teóricas sobre sua natureza, bem como da ação de possíveis impurezas. Neste trabalho nos concentramos em alguns aspectos relacionados às propriedades de semicondutores de Si e Ge. Especial ênfase foi dada ao N em função da sua possível presença nos processos de preparação de diversos materiais semicondutores. Inicialmente, investigamos a saturação das ligações químicas na superfície de semicondutores usando átomos de hidrogênio. Diferentes tamanhos do orbital atômico do hidrogênio foram testados no sentido de evitar a transferência de carga entre Si ou Ge e H. Dois tipos de expoentes foram estudados. Em ambos os casos observa-se que o modelo apresenta comportamento inadequado. Efeitos estruturais e eletrônicos causados pelo N foram iniciados nesta seção e estudados com maior profundidade nos capítulos subsequentes. Posteriormente, métodos ab initio foram aplicados para estudar propriedades estruturais e eletrônicas de alguns agentes dopantes em clusters representados por X4YH12 e X29YH31, X = Si ou Ge e Y = B, Al, Ga, In, N, P, As e Sb. Foram analisadas a geometria molecular, efeitos de função de polarização, correlações entre cargas atômicas e eletronegatividade, raio covalente e raio covalente não polar e gaps de energia. Os resultados mostram que particularmente N e B apresentam algumas similaridades que podem ser associadas ao comportamento anômalo do N. Na tentativa de investigar propriedades de materiais amorfos dopados, mais especificamente Si ou Ge dopado com N, diferentes modelos foram desenvolvidos para estudar as propriedades eletrônicas de sistemas unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais. De maneira geral, verificou-se que semi- condutores cristalinos ou amorfos a base de Si ou Ge, em qualquer dos modelos estudados, tendem a concentrar carga negativa sobre o átomo de N, utilizado como dopante nestes sistemas. Processos de ionização ou excitação estudados em sistemas unidimensionais ou bidimensionais sugerem que o processo de transferência de carga nesses materiais é produzido pelo caráter radicalar introduzido nos átomos de Si ou Ge pela presença da impureza. Comparando-se os três modelos pode-se verificar que o aumento do número de átomos tende a diminuir o gap de energia tanto em sistemas cristalinos quanto amorfos. Os modelos bi- e tridimensionais diferiram do unidimensional na representação das densidades de estados dos sistemas amorfos. Os fios moleculares preservaram as características gerais da distribuição dos orbitais moleculares, enquanto que nos sistemas bi- e tridimensionais os materiais amorfos adquiriram características metálicas. Apenas utilizando-se o modelo baseado em microcristais semi-desorganizados para compostos tridimensionais foi possível resgatar a estrutura dos diagramas de densidade de estados previstos experimentalmente. A desorganização dos átomos (distorcções da geometria) ou dos microcristais pode ser associada a efeitos térmicos. A presença da impureza é capaz de produzir estados na região do gap de energia do material puro. A localização específica destes estados depende essencialmente da posição do átomo de N no sólido. Alterações na posição do átomo de N permitem alterar o gap calculado para qualquer resultado desejado. Entretanto, todos os modelos estudados sugerem que o arranjo do nitrogênio em relação a sua vizinhança forma três ligações equivalentes com características de um grupo pontual C3v. Finalmente, a presença constante do hidrogênio nos diferentes semicondutores sugeriu um estudo sobre afinidade por próton de alguns hidretos contendo elementos do segundo ao quinto período da tabela periódica e dos grupos 14 ao 17. Três níveis de teoria foram usados: Hartree-Fock, teoria de perturbação Mfller-Plesset (MP2) e a teoria do funcional de densidade (B3LYP) usando o conjunto de base 3-21++G** e pesudopotenciais CEP-31++G** e HW-21++G**. Os resultados obtidos com o pseudopotencial apresentam melhor desempenho quando comparados com valores experimentais do que os resultados obtidos com a base 3-21++G**. Uma correlação aproximadamente linear entre afinidade por próton e cargas atômicas nos átomos de hidrogênio foi obtida pelo método GAPT. Cálculos de eletronegatividade de grupos usando a equação de Iczkowski e Margrave mostram que esta correlação pode ser associada com o conceito de eletronegatividade.

ASSUNTO(S)

eletronegatividade semicondutores

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