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Title in Portuguese: Confinamento dielétrico versus quântico em nanoestruturas
Author: Pereira, Teldo Anderson da Silva
Advisor(s): Farias, Gil de Aquino
Co-advisor(s): Freire, José Alexander de King
Keywords: Semicondutores
Poços quânticos
Issue Date: 2006
Citation: PEREIRA, T. A. S. Confinamento dielétrico versus quântico em nanoestruturas. 2006. 137 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006.
Abstract in Portuguese: Esse trabalho tem por objetivo estudar sistemas quânticos de baixa dimensionalidade do tipo poços quânticos GaN/HfO2 e Si/High-k. Investigamos propriedades eletrônicas, ópticas e estados de impurezas em poços quânticos GaN/HfO2, levando em consideração efeito de cargas imagem devido à descontinuidade das constantes dielétricas dos materiais do poço e da barreira destas estruturas. Primeiramente estudamos os efeitos do potencial imagem de auto-energia sobre as propriedades ópticas e eletrônicas de poços quânticos abruptos e não abruptos. Nossos resultados mostram que o efeito do potencial imagem de auto-energia modica fortemente as estruturas eletrônicas de poços quânticos, podendo variar a energia de recombinação dos portadores em até 100 meV. Além disso, o modelo ideal de poços quânticos não é válido para algumas estruturas com a constante dielétrica do poço menor que a constante dielétrica da barreira, devido ao confinamento de portadores na região da interface. A energia de ligação e a energia total do exciton são estudadas em poços quânticos abruptos com a constante dielétrica do poço menor e maior que a constante dielétrica da barreira, dando ênfase a efeitos causados por cargas imagem: potencial de auto-energia e interação do elétron (buraco) com as imagens do buraco (elétron). Os resultados mostram que, considerando os parâmetros dos materiais usados neste trabalho, modelos simples (que não consideram efeito de cargas imagem) para cálculos de excitons são inadequados para estudar sistemas com a constante dielétrica do poço menor que a constante dielétrica da barreira, visto que modelos mais precisos (que incluem todas as contribuições devido às cargas imagem) apresentam resultados com diferenças significativas, em torno de 80 meV, entre modelos simples e modelos mais precisos. Finalmente, estudamos a interação entre elétron-impureza em poços quânticos GaN/HfO2 abruptos. Os cálculos consideram simultaneamente todas as contribuições de energias causadas pela diferença entre as constantes dielétricas de GaN (= 9.5) e HfO2 (= 25). Os resultados mostram que, considerando os parâmetros dos materiais usados neste trabalho, à medida que a posição da impureza afasta-se do centro do poço, no sentido positivo do eixo z, a função de onda do elétron é atraída no mesmo sentido de deslocamento da impureza. A intensidade da atração diminui quando a posição da impureza afasta-se da interface, no sentido positivo de z, dentro da região da barreira quântica.
Abstract: We study in this work the low dimensional quantum well systems (QW) of GaN/HfO2 and Si/High − k. In GaN/HfO2 QW, we analyze not only the electronic and optic properties but also impurity states of this system. Moreover, we consider the image charge effects. This is due to discontinuity of materials dielectric constant of well (εw) and barriers (εb) of this structures. At first, we analyze the image potential effects of selfenergy in electronic and optic proprieties of abrupt and non-abrupt QWs. We observed that the electronic structure of QW is strongly modified by the image potential effect of self-energy. It is found that the recombination energy of carriers can change up to 100 meV. Moreover, we observed that the ideal model (En ∼ n 2/L2) of QWs is not valid for some structures with εw < εb due to confinement of carries in the interface. Second, exciton binding and exciton total energy in εw < εb and εw > εb abrupt QWs are studied giving more importance on effect caused by image charges, for example, self energy potential and interactions among electron (hole) and the image charges of hole (electron). Considering the materials and parameters used in this work, we observed that simple models used to evaluate exciton, which do not consider image charge effects, are not appropriated to study systems with εw < εb since appropriated models, which consider all image charge effects, present results with significative changes, around 80 meV, with regard to the simplest models. Finally, impurity states are studied in abrupt GaN/HfO2 QWs. We considered all the energy contributions caused by the change between the dielectric constant of GaN (εGaN =9.5) and HfO2 (εHfO2 =25) simultaneously. The results show that, as the impurity is dislocated toward the interface, the electron wave function is attracted in the same direction. The attraction intensity decreases when the impurity moves to far from interface in the barrier region.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/12471
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