Teses e Dissertações (BDTD USP - IFSC)
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Item Development and application of the k.p method to investigate spin and optical properties of semiconductor nanostructures(2016-10-31) Faria Júnior, Paulo Eduardo deMany observable properties of semiconductor systems, such as transport and optical transitions, are manifestations of their underlying electronic band structures, i. e., the energy levels that electrons may have in the semiconductor. Among the theoretical approaches to calculate the band structure, the k.p method is a versatile framework that can be extended to deal with confined systems, overcoming the computational limitations of first principles methods. In this thesis, we develop and apply k.p Hamiltonians to investigate spin and optical physical phenomena in unconventional semiconductor systems. Specifically, we addressed three different topics: spin lasers, polytypism in III-V semiconductors and spin-orbit coupling effects in wurtzite materials. For spin lasers, we investigate the behavior of their active region, in a VCSEL geometry, based on GaAs/AlGaAs zinc-blende quantum wells by calculating the spin-dependent gain coefficient. Assuming spin polarized electrons, our calculations showed the spin-filtering and the threshold reduction features found in experiments and by the conventional rate equation approach in the steady-state operation. Motivated by experimental evidence of enhanced dynamic operation for light polarization because of anisotropies in the semiconductor system, we calculate the birefringence coefficient of the active region under uniaxial strain. Our calculations showed that, even for a small value of applied strain, the birefringence coefficient can easily exceed 200 GHz. In fact, our predictions were experimentally demonstrated for values up to 250 GHz in similar GaAs/AlGaAs spin VCSELs. For the polytypism topic, we develop a k.p model combined with the envelope function approximation to investigate the polytypismin III-V semiconductor systems with mixed zinc-blende and wurtzite crystal structures. We apply our model for InP polytypic quantum wells to investigate quantum confinement and strain effects. We then extended this polytypic model to include the explicit coupling between the conduction and the valence bands in order to investigate optical properties in InP polytypic superlattices. For pure phase nanowires, modeled with bulk calculations and the optical confinement, we can see the same experimental trends regarding the light polarization, i. e., zinc-blende phase favors light polarization along the nanowire axis while wurtzite phase favors the polarization perpendicular to the axis. Including the crystal phase mixing and the quantum confinement effects, we obtain the degree of light polarization ranging from pure zinc-blende to pure wurtzite nanowires and, more specifically, that this degree of polarization is very sensitive to the size of zinc-blende regions, a feature that is also observed in photoluminescence measurements. Finally, we develop a realistic k.p Hamiltonian, with parameters obtained from ab initio band structures, to investigate electronic properties and spin-orbit coupling effects in InAs and InP semiconductors with wurtzite structure. Our 8×8 k.p model describes the conduction and the valence bands, including spin, around the energy gap. We also include the k-dependent spin-orbit coupling term, usually neglected in the literature, to correctly describe the bulk inversion asymmetry of wurtzite structure. We show that all the investigated energy bands have a spin expectation value that follows a Rashba-like spin texture, with either clockwise or counter clockwise orientation. We emphasize that all the ab initio features of band structure, spin splittings and spin orientation were systematically checked to provide the best parameter sets. Using the 8×8 k.p Hamiltonian, we calculated the density of states and predicted the carrier density as a function of the Fermi energy. We also provide an analytical approach for conduction band and a compact description for the valence bands, however, the 8×8 Hamiltonian is the best approach to recover the ab initio calculations around a large region of the first Brillouin zone.Item Determinação de parâmetros para Hamiltonianos k.p a partir de estruturas de bandas pré-existentes(2015-04-13) Bastos, Carlos Maciel de OliveiraO estudo das estruturas de bandas de energia representa um ponto fundamental no entendimento de alguns fenômenos no âmbito da física do estado sólido, tais como luminescências e transporte, entre outros. Estas estruturas podem ser obtidas de diversas formas: através de medidas experimentais, tais como ARPES,1 ou por modelos teóricos.24 Os modelos teóricos se dividem entre métodos ab initio, como o cálculo DFT,5 e métodos efetivos, como o k.p.6, 7 A abordagem DFT é viável para sistemas que vão de poucos átomos (como por exemplo, materiais bulk ) até centenas de átomos (ou mesmo milhares, com restrições quanto às aproximações necessárias). Para sistemas confinados, por ser necessária uma grande quantidade de átomos, o custo computacional torna-se inviável. No método k.p, por outro lado, as interações são descritas por parâmetros em um Hamiltoniano na forma matricial, geralmente fazendo uso de conceitos de simetria e da Teoria de Grupos. Esses parâmetros, entretanto, são obtidos de forma externa à teoria, através de estruturas de bandas pré-calculadas por outros métodos teóricos ou medidas experimentais. A literatura, porém, não apresenta um método de obtenção dos parâmetros k.p para qualquer estrutura cristalina, inviabilizando a construção de novos Hamiltonianos k.p. Outro detalhe é que, mesmo para os Hamiltonianos existentes, a literatura não apresenta parâmetros para todos os materiais, limitando o número de sistemas que podem ser estudados aos materiais cujos parâmetros foram publicados. Neste trabalho propomos um método geral para obter os parâmetros k.p, que consiste em realizar um fitting entre funções originadas na equação secular do Hamiltoniano e combinações das energias provenientes das estruturas de bandas pré-calculadas. Aplicamos o método a estruturas de bandas calculadas via DFT para o GaAs na fase zinc blende e para o InAs na fase wurtzita, obtidas por meio de colaborações. Utilizamos o GaAs zinc blende para testar o método desenvolvido, comprovando sua eficiência e confiabilidade. Devido aos bons resultados obtidos com o mesmo, aplicamos o método ao InAs wurtzita, que não possui parâmetros k.p na literatura, obtendo-os com sucesso.Item Excitações coletivas e de partícula independente em sistemas multicamadas de GaAs δ dopadas(2014-04-24) Anjos, Virgílio de Carvalho dosApresentamos uma teoria para obtenção de seções de choque de espalhamento inelástico de luz via mecanismos de flutuações de densidade de carga e spin em um gás de elétrons não-uniforme formado por um sistema multi-camadas de GaAs periodicamente δ-dopadas com concentração eletrônica relativamente alta. Os cálculos, onde estão inclusos efeitos da interação coulombiana entre os portadores, efeitos de correlação e troca dinâmicos e o acoplamento com fônons LO, foram efetuados em condições de extrema ressonância com o gap de split-off do GaAs. Em tais condições, a estrutura detalhada dos níveis de energia dos buracos de spin-split torna-se extremamente importante e é fundamental para o surgimento do espectro de partícula independente apresentado nos espectros polarizados. Este comportamento é revelado através da seção de choque de espalhamento que consiste da parte imaginária de uma função resposta constituída de um termo de caráter de partícula independente e outro de caráter coletivo. De forma a levar em conta o amortecimento das flutuações de densidade, propõe-se uma função espectral baseada na conservação da corrente local. Comparação com formas de linha experimentais disponíveis para o caso de espectros despolarizados mostram excelente concordância. No caso dos espectros polarizados a concordância se deu em nível semi-quantitativo, já que excitações de caráter coletivo obtidas experimentalmente apresentaram intensidade menor do que aquelas fornecidas pela teoria. Tal discrepância é atribuída a efeitos de desordem introduzidas no processo de dopagem e que implicam na quebra das regras de conservação de momentum.Item Estudo das propriedades ópticas de super-redes de GaAs/AlAs crescidas nas superfícies (100) e (n11)(2014-04-10) Freitas, Kellis GermanoO objetivo principal deste projeto foi o estudo das propriedades ópticas de estruturas semicondutoras do tipo super-redes, formadas a partir da heteroestrutura de GaAs/AlAs, crescida através da técnica de Epitaxia por Feixe Molecular. No trabalho apresentamos estudos feitos em super-redes do tipo (GaAs)n/(AlAs)n, crescidas em substratos semi-isolantes e orientados nas direções (100) e (nl1) com n=1,2,3,5,7 e nas polaridades A e B. Para cada periodicidade (n x n), as estruturas foram crescidas simultaneamente num mesmo porta amostra e sob as mesmas condições. As amostras foram estudadas através das técnicas de fotoluminescência a baixa temperatura e em função da temperatura. São apresentados também resultados preliminares de um estudo feito com a técnica de fotoluminescência de excitação. A técnica de difração de elétrons de alta energia foi utilizada durante o crescimento epitaxial para aferição da periodicidade da estrutura. A eficiência quântica, a posição do pico de luminescência estão fortemente correlacionados com a direção de crescimento. As medidas de fotoluminescência em função da temperatura mostram também um decréscimo anômalo da largura de linha. A partir dos resultados ópticos foi proposta a formação de microestruturas de mais baixa diemnsionalidade nos poços, formadas por flutuações nas interfaces (microrugosidades), e originárias do modo de crescimento adotado (sem interrupção nas interfaces). O comportamento óptico observado é semelhante ao de estruturas de mais baixa dimensionalidade (pontos quânticos). Este efeito é acentuado nas direções (311) e (21l), devido a própria morfologia da superfícieItem Estudo de técnicas de nanofabricação aplicada à filmes semicondutores(2014-04-03) Alves, Marcus ViníciusEste trabalho teve como objetivo principal o estudo de técnicas de nanofabricação aplicadas a filmes semicondutores do grupo 111-V, crescidos pela técnica de epitaxia por feixe molecular. Padrões, visando o domínio da técnica e a produção de nano-estruturas foram criados em filmes de GaAs utilizando-se a técnica de litografia por feixe de elétrons e ataques químicos. Os padrões foram gerados a partir de um software especial de controle que, acoplado ao microscópio eletrônico de varredura, através de uma interface, permite o controle externo da varredura x-y do feixe de elétrons. Estudamos o comportamento da espessura do filme de elétron-resiste poli (metacrilato de metila) (PMMA) em função da temperatura, aplicando soluções com pesos moleculares variados sobre filmes semicondutores, dissolvidos em Xileno, Monoclorobenzeno e Acetona. Investigamos o uso do ultra-som nos processos de revelação do PMMA e no ataque químico de superfícies de GaAs. Através da análise do ataque químico empregando várias formulações a base de ácidos em GaAs (100) e (3 1 l)A e B, determinamos a velocidade de ataque em cada caso, classificando as propriedades obtidas para a superfície. Em GaAs (100) avaliamos a dependência entre a rugosidade da face atacada e o tempo de ataque para uma solução de NH4OH:H2O (pH=7). Os resultados por nós obtidos formam um conjunto de dados que servirão de apoio a trabalhos futuros, desenvolvidos em nano-fabricação aplicada a filmes de GaAs, crescido em planos diferentes do (100).Item Estudo da solidificação e do processamento cerâmico de ligas de silicio-germânio para aplicações termoelétricas(2014-03-21) Alves, Lucas MáximoOs materiais cerâmicos termoelétricos preparados a partir de ligas de SiGe, são utilizados em Geradores de Potência a Radioisótopos (GTR), na conversão de energia por efeitos termoelétricos. Neste trabalho de pesquisa foram estudadas as condições de preparação destas cerâmicas a partir de ligas de Silício-Germânio. Visou-se, portanto obter a melhor eficiência, pela otimização da \"Fator de Mérito\" (ou Número de loffe) , através dos processos de preparação e tratamentos térmicos da liga, e também na dopagem das cerâmicas. As ligas de silício-germânio (Si80Ge20) foram obtidas pela técnica de crescimento Czochralski, com campo elétrico aplicado (ECZ) e também por outras técnicas de fusão e solidificação, para comparação. Amostras com homogeneidade satisfatória foram quebradas e moídas para processamento cerâmico. E em seguida o pó da liga foi então dopado, misturando-se este com pó de boro amorfo e depois prensado, a fim de se obter elementos cerâmicos semicondutores tipo-p, com propriedades termoelétricas para altas temperaturas (≈ 1000°C). A sinterização foi feita por três técnicas diferentes: pela técnica dos Pós Discretos ou PIES (Pulverized and Intermixed Elements of Sintering), pelo procedimento cerâmico convencional, e pela Prensagem a Quente (HotPressing), sendo esta última usada como padrão de comparação. As amostras obtidas foram analisadas e caracterizadas por técnicas convencionais de caracterização cerâmica tais como: medidas da densidade, dos tamanhos dos grãos, porosidade, área superficial, etc. e também por medidas de alguns dos parâmetros físicos que influenciam diretamente na eficiência termoelétrica tais como: coeficiente Seebeck, calor específico e parâmetro de rede, para ligas de composição nominal Si80Ge20 sem e com dopantes para semicondutores tipo-p. Uma amostra preparada pela General Electric usando a técnica de Prensagem a Quente (Hot-Pressing), foi usada como padrão de comparação. A liga obtida pela técnica ECZ apresentou boa homogeneidade. Foi encontrado que a qualidade microestrutural das cerâmicas tais como: densidade, a regularidade e a composição química dos grãos das cerâmicas depende muito da técnica de processamento. Estes elementos cerâmicos termoelétricos poderão ser usados como fonte de energia em Geradores de Potência Termoelétrica a Radioisótopos (GTR) mais especificamente na alimentação de satélites brasileiros fabricados pelo Centro Técnico Aeroespacial (CTA) junto com o Instituto de Estudos Avançados (IEAv) através da Divisão de Energia Nuclear (IEAvENU) deste Instituto, ou entre outras aplicações para fins militares e civilItem Modelo de Kane 8 × 8 para a estrutura eletrônica de wurtzitas(2013-03-21) Pires, Diego PaivaA interação spin-órbita tem desempenhado um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos semicondutores de baixa dimensionalidade. Em resultados recentes abordando o modelo de Kane para sistemas cúbicos, particularmente redes zincblende, hamiltonianos efetivos são calculados por meio da técnica algébrica conhecida como folding down seguida de um processo de linearização até segunda ordem no inverso do gap de energia com a devida correção na normalização do espinor da banda de condução [PRL 99, 076603 (2007); PRB 78, 155313 (2008)]. Motivados por estes estudos, este trabalho se concentra no estudo algébrico da estrutura eletrônica de semicondutores de rede wurtzita. Usando as simetrias da rede hexagonal, o modelo de Kane 8 × 8 é formulado levando em conta todos os acoplamentos mediados pelos operadores momentum linear e angular de spin. Mostramos que a base de oito estados vinda da diagonalização exata da matriz associada à interação spin-órbita fornece um tratamento unificado entre os sistemas hexagonal e cúbico, o que pode ser muito útil no estudo de politipismos. Através de um modelo efetivo baseado na expansão em ordens do inverso do gap de energia, determinamos a equação que descreve o comportamento de um elétron de condução em poços quânticos e em estruturas semicondutoras na fase bulk. Em particular, destacamos a presença de massas efetivas e a emergência de uma interação dependente em spin na forma do operador helicidade no plano já em primeira ordem de aproximação, algo não observado em sistemas cúbicos. A heteroestrutura é investigada no âmbito do modelo de uma e duas subbandas dos poços quânticos das junções semicondutoras. Incluindo o campo de radiação, encontramos a equação efetiva que descreve a interação elétron-fóton analisando ainda as taxas de transição óptica do sistema. Observa-se que as transições ópticas são diretamente mediadas por spin e dependem da direção de incidência do fóton seja no poço quântico ou na monoestrutura semicondutora. Uma vez que estas transições ópticas induzem a mudança na orientação do spin eletrônico, estes resultados podem ser úteis na construção de novos dispositivos optoeletrônicos tendo a wurtzita como cenário. Considerando o hamiltoniano em primeira ordem no inverso do gap de energia relativo ao modelo de uma subbanda, verificamos que a evolução temporal do operador posição do elétron de condução varia linearmente no tempo e não exibe o efeito Zitterbewegung. Associado a evolução temporal dos operadores de spin que oscilam no tempo, o movimento linear garante a formação de um campo harmônico onde os spins precessam. Como apontado no caso cúbico, a precessão do spin de elétrons injetados no poço quântico sob polarização de 45° pode levar à formação spin gratings devido ao espaçamento da ordem de alguns nanômetros destas entidades. Calculamos ainda o shift no vetor de onda de elétrons injetados no canal semicondutor do transitor Datta-Das formado por redes wurtzita.Item Estudo dos estados eletrônicos em sistemas quase-unidimensionais.(2010-09-08) Leão, Salviano de AraújoEstudamos as propriedades eletrônicas de dois sistemas quase-unidimensionais distintos, resolvendo autoconsistentemente as equações de Schrödinger e Poisson.O método usado para calcular a estrutura eletrônica deste sistema e baseada na solução da equação de Schrödinger dependente do tempo usando a técnica do Split-Operator. No primeiro sistema estudamos os efeitos da corrugação periódica da interface da estrutura n-AlxGa1-xAs/GaAs na densidade eletrônica ao longo desta interface. A forma geométrica desta interface e do tipo dente de serra. Nas camadas de inversão convencionais, os elétrons estão distribuídos uniformemente ao longo da interface plana da heteroestrutura, mas devido à forma dente de serra desta estrutura, os elétrons se distribuem de maneira não uniforme ao longo da interface, produzindo um gás de elétrons quase-unidimensional. A estrutura que investigamos possui um período de 806 ANGSTROM e uma densidade residual uniforme de impurezas aceitadoras da ordem de 1015 cm-3. Calculamos a estrutura eletrônica do gás de elétrons unidimensional confinado na interface corrugada em função da voltagem aplicada ao gate, da densidade de impurezas doadoras e da temperatura. Os resultados obtidos para a densidade eletrônica mostram que, dependendo da densidade de impurezas doadoras, haverá formação de u gás de elétrons quase-unidimensional nos vértices da estrutura dente de serra. O segundo sistema que estudamos é constituído por um gás de elétrons bidimensional, formado na interface de uma camada de Al1-xGa1-xAs com uma camada de GaAs, sobre a qual, temos uma estrutura periódica de \"gates\". Aplicando-se uma voltagem negativa sobre os \"gates\" teremos a formação de fios quânticos nas regiões entre os \"gates\". Neste sistema observamos a transição de um sistema quase-bidimensional para um quase-unidimensional. Investigamos suas propriedades eletrônicas em funçãoo da temperatura, da voltagem aplicada aos \"gates\" e da densidade de impurezas doadoras.Item Uma contribuição para caracterização de níveis de energia de impurezas em AlxGa1-xAs tipo n.(2010-05-13) Gatti, Fabio GarciaNeste trabalho apresentamos medidas de fotocondutividade, decaimento da fotocondutividade persistente, resistência em função da temperatura em amostras de AlxGa1-xAs de gap direto e indireto, dopadas com Si. Comparamos as teorias de Brooks-Herring e Takimoto, ambas referentes ao espalhamento por impurezas ionizadas, e sua aplicabilidade para nosso material. Interpretamos a presença de um estado de energia intermediário nos cálculos da energia de ativação baseado nos resultados de concentração de elétrons livres em função da temperatura .como devido ao defeito D-. Nos resultados de decaimento da fotocondutividade persistente no intervalo de 80 - 100K, contamos com a contribuição do espalhamento por dipolos e propomos o par d+ - VAS- como os responsáveis pela formação destes dipolos e conseqüente melhoria do ajuste da simulação numérica.Item Estrutura eletrônica de heteroestruturas semicondutoras na presença de campos elétricos e magnéticos.(2009-06-15) Souza, Márcio Adriano RodriguesCalculamos a estrutura eletrônica de heteroestruturas semicondutoras III-V e II-VI na aproximação da função envelope, usando o método k.p, na presença de campos elétricos e magnéticos externos. Para isso desenvolvemos um método numérico baseado na técnica das diferenças finitas e no método da potência inversa para resolvermos a equação de massa efetiva. As principais características desse método são a estabilidade, a rápida convergência e a possibilidade de calcular os estados ligados de poços quânticos com formas arbitrárias na presença de campos elétricos e magnéticos. Investigamos inicialmente o tunelamento ressonante de portadores em um poço quântico duplo assimétrico de GaAs/GaAlAs na presença de um campo elétrico aplicado na direção de crescimento e de um campo magnético aplicado no plano perpendicular. Mostramos como as relações de dispersão de um poço quântico simples podem ser obtidas experimentalmente da curva do campo elétrico versus campo magnético ressonante e como, para determinadas intensidades desses campos, podemos colocar os estados eletrônicos e de buracos em ressonância simultaneamente, isto é, mostramos a possibilidade de termos o tunelamento ressonante de éxcitons. Investigamos também o tunelamento ressonante de portadores em um poço quântico duplo assimétrico de CdTe/CdMnTe na presença de um campo elétrico e de um campo magnético aplicados na direção de crescimento. Mostramos então como podemos obter o tunelamento ressonante de elétrons, buracos e também de éxcitons. Outro problema estudado foi a anisotropia do efeito Zeeman com a direção do campo magnético aplicado em um poço quântico simples de CdTe/CdMnTe. Calculamos os níveis de energia e as transições eletrônicas desse sistema em função da intensidade e da direção do campo magnético. Em todos os casos fazemos uma comparação dos nossos resultados com dados experimentais apresentados na literatura.