Sn bazlı yarı iletken malzemelerin ilk prensipler yöntemi ile fiziksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada Sn (kalay) bazlı yarı iletken malzemelerin fiziksel özellikleri ab initio simülasyon yöntemi ile incelenmiştir. İlk prensipler yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesapları, PAW (GGA) potansiyellerinin PBE tipi ve US (LDA) potansiyelleri kullanılarak yapılmıştır. SnO2 malzemesinin gözlemlenen altı yapısal fazı vardır. Bütün fazların elastik sabitleri ve bunların basınç ile değişimleri hesaplanmıştır. Hesaplanan yapısal parametreler ve elastik sabitleri elde edilebilen diğer teorik ve deneysel sonuçlar ile uyumludur. Fazlar mekanik olarak kararlıdırlar. GGA ve LDA fonksiyonelleri ile hesaplanan SnO2 rutil fazı enerji band aralığı beklenildiği gibi küçük hesaplanmıştır. SnO2 rutil (tetragonal) fazının fonon dispersiyonları polarizasyondan kaynaklanan frekans kaymaları (LO/TO kayma) dahil edilecek şekilde örgü dinamiği hesapları ile elde edilmiştir. Deney sonuçlarından sapma % 10 mertebelerinde veya daha azdır. Bu sonuçlar örgü dinamiği hesaplamalarında DFT’ nin başarısıdır ve güvenilir olduğunun göstergesidir. Mod frekanslarının basınç davranışları 10 GPa basınca kadar hesaplanmıştır. B1g modunda sonraki yapıya ferroelastik faz geçişinin bir işareti olarak değerlendirilen yumuşama görülmüştür. Kuazi-harmonik yaklaşım yapılarak Gibbs serbest enerjisi, hacim modülü, termal genleşme gibi fiziksel özelliklerin sıcaklık ile değişimleri elde edilmiştir. Gözlemlenen fazların dispersiyonları hesaplanmıştır, bu fazlar termodinamik kararlılık göstermektedirler. Farklı basınçlardaki SnO2 florit yapı dispersiyonları termodinamik olarak kararsızlık göstermektedirler. Sonuç olarak, bazı teorik çalışmaların tersine, florit yapının SnO2’ nin bir fazı olması mümkün görünmemektedir. Physical properties of Sn (tin) based semiconductor materials have been invesitgated via ab initio simulation techniques in this study. First principles DFT calculations have been performed by employing PBE type of PAW (GGA) and US (LDA) potentials. SnO2 has six polymorphs observed. Elastic constants of polymorphs of SnO2 and pressure behavior of them have been calculated. Calculated structural parameters and elastic constants are in good agreement with other available theoretical and experimental studies. These polmorphs are stable mechanically. Calculated band gap energy values of rutile phase of SnO2 using GGA and LDA functionals are underestimated as expected. Phonon dispersions of rutile (tetragonal) structured SnO2 are obtained through lattice dynamics calculations including frequency shifts (LO/TO splitting) due to polarization. Deviations from experimental results are in the rate of 10 % or less. These results indicate that lattice dynamics calculations by DFT are successful and reliable. Pressure behavior of mode frequencies up to 10 GPa pressure are also calculated. Softening of B1g mode has been detected which can be interprated as a sign of ferroelastic phase transition to the following structural phase. Temperature dependences of some physical properties such as Gibbs free energy, bulk modulus, thermal expansivity are obtained by applying quasi-harmonic approximation. The dispersions of polymorphs of SnO2 observed are calculated and they show thermodynamical stability. However, dispersions of florite structure of SnO2 at different pressures show thermodynamical instability. Hence, contrary to some theoretical studies, it seems impossible for florite structure to be a phase of SnO2.