Влияние содержания висмута на структурные и электронные свойства GaAs1-yBiy: расчеты из первых принципов
О.В. Девицкий1,2
1 ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН»
2 ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.404
Краткое сообщение
Аннотация: Представлено теоретическое исследование влияния концентрации висмута на структурные и электронные свойства твердого раствора GaAs1-yBiy с использованием теории функционала плотности в программном пакете VASP 5.4.4. Результаты исследования показали, что фундаментальная запрещенная зона GaAs1-yBiy увеличение концентрации висмута приводит к увеличению постоянной решетки GaAs1-yBiy, что вызывает внутреннюю асимметрию и снижению длинны связи Ga-Bi. Показано, что при увеличении количества замещающих атомы As атомов Bi в узлах кристаллической решетки наблюдается искажение положения соседних атомов Ga и уменьшение длины связи Ga-As. Установлено, что эти изменения обусловлены влиянием соседнего атома Bi, который влияет на длину связи Ga-Bi и снижает её длину вплоть до 2,6133 Å при y равном 12,5%. Угол между связями Ga-Bi и Ga-Bi наоборот увеличивается при увеличении концентрации Bi и может достигать максимального значения в 110,9256°. Совокупность подобных структурных изменений кристаллической решетки GaAs1-yBiy в дальнейшем приводят к возникновению потенциальных дефектов в виде кластеризации атомов Bi или смещения атома Bi положение интерстиции. Установлено, что наиболее стабильной конфигурацией обладают суперячейки GaAs1-yBiy с концентрацией атомов Bi до 12,5%. Ширина запрещенной зоны твердого раствора GaAs1-yBiy уменьшается от 1,283 эВ до 0,712 эВ с увеличением концентрации висмута от 1,85 мол.% до 12,5 мол.%. Полученные значения ширины запрещенной зоны в целом близки к известным литературным данным. Это показывает, что прямая запрещенная зона этого сплава охватывает спектральную область от ближнего инфракрасного до инфракрасного диапазона.
Ключевые слова: III-V-Bi, GaAs1-yBiy, электронная структура, теория функционала плотности, ширина запрещенной зоны
- Девицкий Олег Васильевич – к.т.н., ведущий научный сотрудник лаборатории физики и технологии полупроводниковых наногетероструктур для СВЧ-электроники и фотоники, ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр РАН», старший научный сотрудник научнообразовательного центра фотовольтаики и нанотехнологии ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет»
Ссылка на статью:
Девицкий, О.В. Влияние содержания висмута на структурные и электронные свойства GaAs1-yBiy: расчеты из первых принципов / О.В. Девицкий // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2023. — Вып. 15. — С. 404-411. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.404.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Marko, I.P. Progress toward III-V bismide alloys for near- and midinfrared laser diodes / I.P. Marko, S.J. Sweeney // IEEE Journal of Quantum Electronics. – 2017. – V. 23. – I. 6. – Art. № 1501512. – 12 p. DOI: 10.1109/JSTQE.2017.2719403.
2. Sweeney, S.J. Bismide-nitride alloys: promising for efficient light emitting devices in the nearand midinfrared / S.J. Sweeney, S.R. Jin // Journal Applied Physics. – 2013. – V. 113. – I. 4. – P. 043110-1-043110-6. DOI: 10.1063/1.4789624.
3. Rockett, T.B.O. Influence of growth conditions on the structural and opto-electronic quality of GaAsBi / T.B.O. Rockett, R.D. Richards, Y. Gu et al. // Journal of Crystal Growth. – 2017. – V. 477. – P. 139-143. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2017.02.004.
4. Pashchenko, A.S. Structure and morphology of GaInAsP solid solutions on GaAs substrates grown by pulsed laser deposition / A.S. Pashchenko, O.V. Devitsky, L.S. Lunin et al.// Thin Solid Films. – 2022. – V. 743. – Art. № 139064. – 8 p. DOI: 10.1016/j.tsf.2021.139064.
5. Lunin, L.S. Pulsed laser deposition of AlxGa1-xAs and GaP thin films onto Si substrates for photoelectric converters / L.S. Lunin, M.L. Lunina, O.V. Devitsky et al. // Semiconductor. – 2017. – V. 51. – I. 3. – P. 387-391. DOI: 10.1134/S1063782617030174.
6. Zhang, Y. Similar and dissimilar aspects of III-V semiconductors containing Bi versus N / Y. Zhang, A. Mascarenhas // Physical Review B. – 2005. – V. 71. – I. 15. – P. 155201-1-155201-4. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.155201.
7. Sweeney, S.J. Bismide-based photonic devices for near- and mid-infrared applications / S.J. Sweeney, I.P. Marko, S.R. Jin et al. // In: Bismuth-Containing Compounds. Springer Series in Materials Science. – New York: Springer, 2013 – V. 186. – P. 29-53. DOI: 10.1007/978-1-4614-8121-8_2.
8. Wang, L. Novel dilute bismide, epitaxy, physical properties and device application / L. Wang, L. Zhang, L. Yue et al. // Crystals. – 2017. – V. 63. – I. 3. – Art. no. 63. – 62 p. DOI: 10.3390/cryst7030063.
9. Alberi, K. Valence-band anticrossing in mismatched III-V semiconductor alloys / K. Alberi, J. Wu, W. Walukiewicz et al. // Physical Review B. – 2007. – V. 75. – I. 4. – P. 045203-1-045203-6. DOI: 10.1103/PhysRevB.75.045203.
10. Samajdar, D.P. Influence of Bi-related impurity states on the bandgap and spin–orbit splitting energy of dilute III–V-Bi alloys: InP1−xBix, InAs1−xBix, InSb1−xBix and GaSb1−xBix / D.P. Samajdar, S. Dhar // Superlattices and Microstructures. – 2016. – V. 89. – P. 112-119. DOI: 10.1016/j.spmi.2015.10.048.
11. Ammar, I. Optical gain and threshold current density for mid-infrared GaSbBi/GaSb quantum-well laser structure / I. Ammar, N. Sfina, M. Fnaiech // Materials Science and Engineering: B. – 2021. – V. 266. – Art. № 115056. – 10 p. DOI: 10.1016/j.mseb.2021.115056.
12. Madouri, D. Bismuth alloying in GaAs: a first-principles study / D. Madouri, A. Boukra, A. Zaoui et al. // Computational Materials Science. – 2008. – V. 43. – I. 4. – P. 818-822. DOI: 10.1016/j.commatsci.2008.01.059.
13. Lewis, R.B. GaAs1−xBix light emitting diodes / R.B. Lewis, D.A. Beaton, X. Lu et al. // Journal of Crystal Growth. – 2009. – V. 311. – I. 7. – P. 1872-1875. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2008.11.093.
14. Takahiro, K. Structural characterization of GaAs1−xBix alloy by rutherford backscattering spectrometry combined with the channeling technique / K. Takahiro, K. Kawatsura, K. Oe et al. // Journal of Electronic Materials. – 2003. – V. 32. – I. 1. – P. 34-37. DOI: 10.1007/s11664-003-0250-8.
15. Adamji, H. Density functional theory analysis of the effect of structural configurations on the stability of GaAsBi compounds / H. Adamji, M. Stevens, K. Grossklaus et al. // Computational Materials Science. – 2020. – V. 173. – Art. № 109401. – 12 p. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.109401.
16. Zhen, G. Janus XMoAZ2 (X = S, Se, Te; A = Si, Ge; Z = N, P, As) monolayers: First-principles insight into electronic structures, optical and photocatalytic properties / G. Zhen, H. Xin, L. Wenzhong // Applied Surface Science. – 2023. – V. 639. – Art. № 158146. – 13 p. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.158146.
17. Momma, K. VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data / K. Momma, F. Izumi// Journal of Applied Crystallography. – 2011. – V. 44. – I. 6. – P. 1272-1276. DOI: 10.1107/S0021889811038970.
18. Wang, V. VASPKIT: a user-friendly interface facilitating high-throughput computing and analysis using VASP code / V. Wang, N. Xu, J.-C. Liu at al. // Computer Physics Communications. – 2021. – V. 267. – Art. № 108033. – 19 p. DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108033.