Analisis Teoritis Nanowires Germanium dengan Tegangan Tarik Biaksial pada GaSb

Abstrak

Kami melakukan investigasi teoritis terhadap nanowires germanium (Ge) yang mengalami tegangan tarik tinggi secara lateral pada GaSb. Metode elemen hingga digunakan untuk mensimulasikan tegangan elastis residual dalam nanowire Ge. Peningkatan energi total, yang mencakup energi tegangan, energi permukaan, dan energi tepi sebelum dan setelah penyetoran Ge, dihitung dalam berbagai situasi. Hasilnya menunjukkan bahwa nanowire Ge pada GaSb cenderung tumbuh sepanjang arah 〈100〉 daripada 〈110〉 dalam kedua situasi, dan lebih suka diekspos oleh fasa {105} ketika sejumlah kecil Ge ditetapkan, namun diekspos oleh fasa {110} ketika jumlah Melebihi nilai kritis. Selain itu, minimum konduksi band di lembah Γ di setiap posisi dalam kedua situasi menunjukkan nilai lebih rendah dibandingkan dengan lembah L, yang mengarah pada transisi bandgap langsung dalam nanowire Ge. Untuk band valensi, maksimum band lubang ringan di titik Γ lebih tinggi dari maksimum band lubang berat pada setiap posisi, dan bahkan lebih tinggi dari minimum konduksi band untuk tegangan hidrostatis lebih dari sekitar 5,0%, yang mengarah pada bandgap negatif. Selain itu, mobilitas elektron dan lubang dapat ditingkatkan karena penurunan massa efektif di bawah tegangan tarik tinggi. Hasilnya menunjukkan bahwa nanowires Ge dengan tegangan tarik biaksial memiliki properti yang menjanjikan untuk aplikasi perangkat.

Latar Belakang

Sebagai elemen kelompok IV, germanium (Ge) memiliki keunggulan baik dalam optoelektronika maupun elektronika dan sangat kompatibel dengan fotonika silikon (Si). Karakteristik penting Ge adalah bandgap langsungnya sekitar 0,8 eV (1,55 μm) pada 300 K. Mobilitas elektron dan lubang dalam Ge jauh lebih tinggi dibandingkan dalam Si. Oleh karena itu, Ge telah digunakan dalam perangkat kecepatan tinggi dalam sirkuit terpadu berbasis Sa saat ini [1, 2]. Secara menarik, Ge yang ditarik memberikan optimisasi pada aspek-aspek tersebut. Ge adalah semiconductor bandgap tidak langsung dengan perbedaan sekitar 136 meV antara lembah L dan lembah Γ [3]. Secara teoritis diprediksi bahwa tegangan tarik uniaksial lebih dari sekitar 4,0% sepanjang 〈111〉 [4] atau tegangan tarik biaksial sekitar 1,6–2,0% [5, 6] dapat menurunkan lembah Γ di bawah lembah L, sehingga mengubah Ge menjadi material bandgap langsung, yang membuka jalur baru untuk pemancaran cahaya dari material kelompok IV. Poin penting lainnya adalah bahwa Ge yang ditarik memberikan peningkatan signifikan dalam mobilitas pembawa muatan [7, 8] untuk mewujudkan perangkat semiconductor logam oksida komplementer (CMOS) kecepatan tinggi.

Nanowires (NW) menunjukkan properti elektronik dan optik yang menarik karena rasio luas permukaan terhadap volume yang besar dan pembatasan pembawa muatan serta foton dalam dua dimensi (2D) [9]. Dalam beberapa tahun terakhir, nanowires Ge (GeNW) pada Si [10] atau nanowires inti-kulit Ge/Si [11] telah diteliti secara luas karena potensinya dalam transistor efek medan semiconductor logam oksida (MOSFET) untuk mikroelektronika Si. Kedua transkonduktivitas yang diskalakan dan arus on ditingkatkan tiga hingga empat kali dibandingkan dengan MOSFET p-Si konvensional [12]. Oleh karena itu, pertumbuhan epitaksial nanowires Ge lateral langsung pada Si telah diharapkan untuk memproduksi MOSFET berkinerja tinggi. Zhang et al. menyatakan bahwa nanowires Ge tipis pada Si (001) diekspos dengan fasa {105} [13], yang memiliki energi permukaan terendah yang diprediksi [14]. Selain itu, MOSFET Ge yang ditarik pada substrat virtual SiGe ditunjukkan meningkatkan mobilitas lubang [1]. Meskipun nanowire Ge lateral pada Si dengan tegangan tekan dapat menunjukkan peningkatan signifikan dalam transportasi pembawa muatan seperti yang diasumsikan, mereka tidak dapat diubah menjadi bandgap langsung. Untuk memperkenalkan tegangan tarik dalam GeNW, ligan GeSn [15] dan senyawa III-Sb [16], yang memiliki konstanta jaringan lebih besar daripada Ge, diperlukan. Meskipun metode mekanis telah digunakan untuk pembuatan nanowires Ge yang ditarik uniaksial [17, 18], kompleksitas teknik pembuatan ini sulit disesuaikan dengan integrasi monolitik dalam fotonika dan elektronika berbasis Si. Selain itu, tegangan akan dengan mudah melepaskan diri dalam nanowires bebas, sedangkan nanowires Ge lateral dapat menampung tegangan yang jauh lebih tinggi dalam diri mereka. Oleh karena itu, diperlukan nanowires Ge lateral yang tumbuh epitaksial dengan tegangan tarik biaksial tinggi untuk mencapai transisi bandgap langsung serta peningkatan mobilitas pembawa muatan.

Saat ini, titik kuantum Ge yang bebas dislokasi dan dengan tegangan tarik biaksial tinggi pada InP (001) telah menunjukkan potensi untuk pemancaran bandgap langsung yang disimulasikan dengan metode elemen hingga (FEM) [19]. Serupa dengan ini, dalam pekerjaan ini, kami secara teoritis memprediksi morfologi permukaan yang diekspos dan arah pertumbuhan nanowires Ge dengan tegangan tarik biaksial pada templat GaSb yang longgar yang dapat ditumbuhkan langsung pada Si dengan lapisan buffer AlSb [16, 20]. Kami memilih {110}, {105}, dan {111} sebagai permukaan yang diekspos dari nanowires Ge lateral dan membandingkan perubahan energi total dalam sistem steady-state. Kami mengabaikan pengaruh dislokasi dan kericuhan [21] dalam sistem yang sangat ditarik ini untuk kesederhanaan. Simulasi berdasarkan FEM mengungkapkan bahwa terdapat jumlah Ge yang kritis. Di bawah nilai kritis, nanowires Ge diekspos oleh {105}, sedangkan di atas nilai kritis, mereka diekspos oleh {110}. Hampir seluruh wilayah nanowire Ge dapat diubah menjadi bandgap langsung, yaitu perbedaan antara minimum konduksi band dan maksimum band lubang ringan di titik Γ. Selain itu, kami juga menganalisis secara kualitatif perubahan massa efektif pembawa muatan yang bergantung pada tegangan di titik Γ untuk secara tidak langsung memprediksi peningkatan mobilitas elektron dan lubang.

Metode

Nanowire lateral biasanya menunjukkan bentuk segitiga dari penampang lintang [22, 23]. Berkat properti 1D dari nanowire yang ditunjukkan pada Gambar 1a, model finite nanowire yang mirip dengan Zhang et al. dalam materi tambahan Ref. [13] dapat digunakan dengan baik untuk simulasi di mana permukaan awal dan akhir tetap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Karena efek batas, kami hanya membahas bagian tengah nanowire dan menganggap bahwa penampang bagian ini mewakili situasi dalam nanowire yang tak terbatas panjang. FEM digunakan untuk mensimulasikan distribusi tegangan tarik dalam nanowire Ge dengan ketidakcocokan jaringan 7,7% terhadap GaSb. Kami menghitung peningkatan energi total sistem setelah menyetor jumlah Ge yang sama dalam keadaan steady-state dalam tiga situasi: (i) arah pertumbuhan [100] dengan fasa {110} yang diekspos (situasi A), (ii) arah pertumbuhan [100] tetapi dengan fasa {105} yang diekspos (situasi B), dan (iii) arah pertumbuhan [110] dengan fasa {111} yang diekspos (situasi C). Penampang lintang dari ketiga situasi ini ditunjukkan pada Gambar 1c. Luas penampang lintang dijaga sama, mewakili jumlah Ge yang sama.

Analisis Teoritis Nanowires Germanium dengan Tegangan Tarik Biaksial pada GaSb

Perubahan energi total sistem per satuan panjang (J/nm) mencakup perbedaan keseluruhan energi tegangan, energi permukaan, dan energi tepi [24] dan dapat dinyatakan sebagai:

$$ \Delta{{E}_{\text{total}}}=\Delta{{E}_{\text{strain}}}+\Delta{{E}_{\text{surface}}}+\Delta{{E}_{\text{edge}}}. $$ (1)

Istilah pertama Δ E _{s t r a i n} mewakili perbedaan energi tegangan dari sistem steady sebelum dan setelah penyetoran Ge dan dinyatakan per satuan volume,

$$ \Delta{u}=\frac{1}{2{Y}}\sum\limits_{i=j}^{{}}{\tau_{ij}^{2}}-\frac{\nu }{Y}\sum\limits_{i<j}^{{}}{{{\tau }_{ii}}{{\tau }_{jj}}}+\frac{1}{2{G}}\sum\limits_{i<j}^{{}}{\tau_{ij}^{2}} $$ (2)

dimana τ _ij=C _ij ε _ij (i, j=1, 2, 3) menunjukkan tensor stres, C _ij dan ε _ij adalah konstanta elastis dan tensor tegangan, masing-masing, Y dan G adalah modulus Young setara dan modulus geser setara, masing-masing, dan ν adalah rasio Poisson setara. Dalam penampang lintang 2D yang dipertimbangkan, perubahan energi tegangan total dapat diperoleh dengan mengintegrasikan luas dengan nilai Δ u pada setiap titik. Istilah kedua Δ E _{s u r f a c e} terkait dengan perbedaan energi permukaan sebelum dan setelah penyetoran Ge. Energi permukaan dalam penampang lintang situasi kami dapat ditulis ulang sebagai [23]

$$ {{\gamma}_{i}}=\frac{2h}{\sin{{\theta}_{i}}}({{\sigma}_{i}}-{{\sigma}_{{(001)}}}\cos{{\theta}_{i}}) $$ (3)

dimana h adalah tinggi penampang lintang nanowire Ge, σ _i (i=A, B, dan C) adalah energi permukaan rata-rata dari fasa yang diekspos per satuan luas, dan sudut yang bersesuaian antara fasa nanowire dan antarmuka dilabeli oleh θ _i seperti yang ditunjukkan secara skematis pada Gambar 1c. Tegangan dalam energi permukaan dapat diabaikan karena dampaknya kecil seperti perlakuan dalam Ref. [25]. Tabel 1 menunjukkan nilai energi permukaan dari literatur. Istilah terakhir yang disebut perubahan energi tepi menunjukkan perubahan biaya energi untuk membentuk tepi tajam dan dinyatakan sebagai

$$ \Delta{{E}_{\text{edge}}}=3\varGamma $$ (4)

dimana 3Γ adalah energi tepi total yang berisi persimpangan fasa dasar atas dan dua dasar. Nilai perkiraan 3Γ adalah 3,7 eV/nm melalui fitting eksperimental [26] dan pengaruh energi tepi dapat diabaikan karena nilainya sulit bervariasi [25]. Oleh karena itu, valid untuk menghitung peningkatan energi dari Δ E _total−3Γ.

Setelah mengetahui distribusi tegangan, penurunan konduksi band yang bergantung pada tegangan di lembah Γ dan L dapat dihitung dengan mengabaikan efek kuantum. Konduksi band di lembah Γ hanya diturunkan dengan tegangan hidrostatis oleh

$$ \Delta E_{c}^{\Gamma}={{a}_{c}}({{\varepsilon}_{xx}}+{{\varepsilon}_{yy}}+{{\varepsilon}_{zz}}) $$ (5)

dimana a _c menunjukkan potensi deformasi hidrostatis dengan nilai −8,24 eV di titik Γ [27], ε _xx, ε _yy dan ε _zz adalah tegangan di arah x, y, dan z dalam sistem koordinat material, masing-masing. Namun, pergeseran konduksi band di titik L tunduk pada tegangan hidrostatis dan geser [19], dinyatakan oleh

$$ {{}\begin{aligned} \Delta{E_{c}^{\mathrm{L}}}=&\left({{\Xi}_{d}}+\frac{1}{3}{{\Xi}_{u}}\right)({{\varepsilon}_{xx}}+{{\varepsilon}_{yy}}+{{\varepsilon}_{zz}})\\&-\frac{2}{3}{{\Xi}_{u}}\left(|{{\varepsilon}_{xy}}|+|{{\varepsilon}_{yz}}|+|{{\varepsilon}_{xz}}|\right) \end{aligned}} $$ (6)

dimana Ξ _d dan Ξ _u adalah potensi deformasi diperbesar dengan nilai −6,97 eV dan potensi deformasi uniaksial dengan nilai 16,3 eV di lembah L, masing-masing. Untuk mengubah Ge menjadi material bandgap langsung, lembah Γ harus lebih rendah dari lembah L, yang berarti $\Delta {E_{c}^{\Gamma, \text {L}}}=\Delta E_{c}^{\Gamma }-\Delta {E_{c}^{\mathrm {L}}}<-0.136$ eV. Di sini, kami menggunakan $\Delta {E_{\text {DT}}}=\Delta E_{c}^{\Gamma, \text {L}}+0.136$ untuk menunjukkan perbedaan di titik Γ dan L. Setelah titik Γ turun di bawah titik L, Δ E _DT akan negatif. Serangkaian nanowire Ge yang ditarik dengan berbagai ukuran disimulasikan untuk menunjukkan transisi bandgap langsung.

Selain itu, karena tegangan tarik tinggi dalam nanowire Ge, lembah Γ berada di bawah lembah L sementara maksimum band lubang ringan menjadi maksimum valensi [28]. Bandgap dalam nanowire Ge yang sangat ditarik akan menjadi perbedaan antara lembah Γ dan maksimum band lubang ringan di titik Γ. Oleh karena itu, bandgap yang terdistribusi spasial serta energi tepi band di titik Γ yang merupakan k=0 termasuk konduksi band, band lubang berat, dan band lubang ringan dihitung dengan teori k.p delapan band [29]. Kami mengabaikan efek kuantum karena ia sangat lemah dalam model nanowire Ge kami dengan lebar dasar 40 nm. Hasilnya dapat diterapkan untuk mempelajari rekombinasi lubang-elektron dalam nanowire Ge yang ditarik serta mekanisme peningkatan mobilitas. Secara umum, mobilitas elektron atau lubang dapat dinyatakan dengan μ=e τ/m ^∗, dimana m ^∗ adalah massa efektif pembawa muatan dan τ adalah waktu tabrakan elektron-fonon. Dalam model perkalian parabola untuk lembah Γ dan L dengan tabrakan isotrof, waktu tabrakan berbanding terbalik dengan $m_{DOS}^{*-3/2}$, yang mengarah pada kesimpulan bahwa rasio mobilitas mencapai μ _Γ/μ _L=182 jika lembah Γ bergerak di bawah lembah L dan baik waktu tabrakan elektron-fonon maupun massa efektif elektron tidak berubah dengan tegangan [30]. Namun, dengan mempertimbangkan kompleksitas dalam perhitungan tabrakan anisotropik dan massa efektif yang bergantung pada tegangan dalam model nanowire kami, kami hanya menganalisis secara kualitatif perbaikan mobilitas elektron dan lubang dalam nanowire Ge yang sangat ditarik melalui penurunan massa efektif elektron dan lubang di titik Γ.

Hasil dan Pembahasan

Kami menganggap sistem awal berada di bawah tegangan tarik penuh karena ketidakcocokan jaringan 7,7% antara Ge dan GaSb. Gambar 2 menunjukkan distribusi tegangan residual 2D termasuk tegangan dalam bidang ε _xx, tegangan geser ε _xy, dan tegangan vertikal ε _zz dari situasi A dengan lebar dasar w = 40 nm sebagai contoh dalam keadaan steady-state setelah relaksasi. Definisi tegangan di sini adalah (a _Ges−a _Ge)/a _Ge, dimana a _Ges dan a _Ge adalah konstanta jaringan Ge yang ditarik dan longgar, masing-masing. Seperti yang terlihat pada Gambar 2a, ε _xx memiliki nilai maksimum sekitar 15,4% di dua tepi dasar yang jauh lebih besar dari tegangan awal, namun menurun tajam dari tepi ke tengah dengan nilai minimum sekitar 3,3%. Dalam arah z dari bawah ke atas nanowire Ge, ε _xx juga turun karena relaksasi nanowire Ge. Distribusi ε _zz ditemukan memiliki karakteristik serupa dengan ε _xx pada Gambar 2b. Tidak seperti tegangan biaksial dalam tipis Ge, Gambar 2c menunjukkan bahwa komponen tegangan geser yang tidak simetris dari nanowire Ge memainkan peran signifikan dalam transisi bandgap langsung. Distribusi tegangan cukup serupa selama ketiga situasi. Namun, nilai komponen tegangan berbeda dalam ketiga situasi karena rasio lebar-tinggi (W/H) yang berbeda yang diinduksi oleh bentuknya. Situasi B dengan nanowire Ge yang diekspos oleh permukaan {105} memiliki rasio W/H terbesar sebesar 10, menunjukkan tegangan tinggi yang mirip dengan yang ada dalam tipis Ge. Situasi C dengan permukaan {111} yang diekspos juga menunjukkan tegangan tinggi karena orientasi pertumbuhan nanowire sepanjang [110] tetap mempertahankan nilai tegangan konstan, yang meningkatkan nilai ε _xx dan ε _yy secara bersamaan. Oleh karena itu, tegangan dalam bidang sulit direlaksasi.

Sesuai dengan distribusi tegangan, peningkatan energi tegangan dapat diperoleh. Seperti yang dibahas sebelumnya, situasi B memiliki peningkatan energi tegangan tertinggi, sedangkan situasi A memiliki yang terendah. Namun, untuk perubahan energi permukaan, situasi B memberikan nilai negatif yang menurun dengan meningkatnya luas penampang lintang dan dua situasi lainnya menunjukkan nilai positif yang sangat dekat pada luas yang sama. Peningkatan energi total tanpa perubahan energi tepi ditunjukkan pada Gambar 3a. Hasilnya menunjukkan bahwa kurang mungkin untuk membentuk nanowire Ge hanya dalam situasi C karena peningkatan energi tidak pernah yang terendah. Ada dua konsekuensi berbeda dari peningkatan energi dengan peningkatan luas, dan garis putih vertikal ditandai untuk menunjukkan nilai kritis luas, A_c=136.2nm², yang berarti jumlah Ge. Ketika luas kurang dari 136,2 nm², nanowire Ge cenderung membentuk bentuk dalam situasi B, tetapi dalam situasi A setelah menyetor lebih banyak Ge. Hasil perhitungan memprediksi bahwa nanowire Ge yang ditarik pada GaSb mungkin lebih suka membentuk bentuk segitiga dengan rasio W/H tinggi dalam penampang lintang ketika sejumlah rendah Ge ditetapkan, sedangkan membentuk bentuk dengan rasio W/H rendah setelah melebihi nilai kritis. Gambar 3b–e menunjukkan distribusi tegangan hidrostatis dan jumlah nilai absolut komponen tegangan geser dalam situasi A dan B di bawah luas kritis. Membandingkan situasi A dengan B, meskipun situasi A memiliki nilai maksimum yang lebih besar baik dari tegangan hidrostatis maupun |ε _xy|+|ε _yz|+|ε _xz|, situasi B memiliki rata-rata tegangan hidrostatis yang lebih besar tetapi nilai rata-rata |ε _xy|+|ε _yz|+|ε _xz| yang lebih kecil. Sementara itu, situasi B menunjukkan perbedaan kecil dalam distribusi spasial baik dari tegangan hidrostatis maupun |ε _xy|+|ε _yz|+|ε _xz|. Properti-properti ini sangat mirip dengan tipis Ge dan disebabkan oleh nilai W/H yang tinggi. Akibatnya, merujuk pada Eq. (5) dan (6), situasi B menunjukkan nilai Δ E _DT yang lebih kecil daripada situasi A, yang mengarah pada kemungkinan tinggi untuk mengubah Ge menjadi material bandgap langsung.

Karena tegangan tarik tinggi dalam nanowire Ge, hampir seluruh wilayah nanowire Ge dapat diubah menjadi bandgap langsung. Gambar 4a menunjukkan distribusi Δ E _DT dengan meningkatnya ukuran nanowire Ge. Nilai Δ E _DT menurun dari atas ke bawah dalam nanowire Ge. Menariknya, minimum Δ E _DT terletak di tepi dasar bawah penampang lintang dalam situasi B, tetapi di dasar tengah dalam situasi A. Alasan distribusi yang berbeda ini adalah karena tegangan geser yang signifikan di tepi dasar bawah dalam situasi A berkontribusi lebih besar pada $\Delta E_{c}^{\mathrm {L}}$ dibandingkan dengan situasi B. Untuk nanowire Ge dalam situasi B di bawah luas kritis, rata-rata Δ E _DT jauh lebih rendah daripada situasi A di atas luas kritis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Pada titik kritis, rata-rata Δ E _DT tiba-tiba naik dari nilai −0,308 ke −0,137 eV. Selain itu, untuk bentuk yang sama, distribusi dan rata-rata Δ E _DT secara dasar serupa, tanpa hubungan yang jelas dengan ukuran. Untuk menemukan hubungan inherent dengan tegangan dalam nanowire Ge, kami memplot komponen tegangan hidrostatis di dasar nanowire Ge dengan lebar dasar pada Gambar 5. Kurva komponen tegangan hidrostatis dengan berbagai ukuran terhadap posisi relatif dasar dalam nanowire Ge hampir tumpang tindih kecuali perbedaan di wilayah periferi. Konsekuensi yang konsisten ditemukan pada ε _xx dan jumlah komponen geser absolut. Oleh karena itu, nilai Δ E _DT yang diinduksikan oleh tegangan memiliki distribusi yang identik dalam nanowire Ge dengan bentuk yang sama.

Selanjutnya, kami mensimulasikan pemetaan bandgap yang diinduksikan oleh tegangan dalam penampang lintang nanowire Ge lebar 40 nm yang ditunjukkan pada Gambar 6a. Distribusi spasial bandgap berasal dari nilai tepi band yang bergantung pada tegangan di titik Γ yang bervariabel. Gambar 6b menunjukkan energi tepi band di titik Γ sepanjang arah z nanowire Ge. Kami menemukan bahwa baik konduksi band maupun tepi band valensi termasuk band lubang ringan dan band lubang berat berubah secara signifikan dalam 15 nm pertama dan kemudian sedikit. Puncak band lubang ringan dan lubang berat terpisah dan cenderung bergerak ke arah yang berlawanan dengan meningkatnya tegangan tarik. Dari Gambar 6a, b, bandgap meningkat secara signifikan dalam 15 nm pertama untuk mencapai sekitar 0,30 eV, kemudian berubah sedikit sekitar nilai 0,24 eV, yang merupakan bandgap di sebagian besar wilayah nanowire Ge. Karena maksimum band lubang ringan lebih tinggi dari band lubang berat di titik Γ dalam nanowire Ge, lubang di band valensi lebih suka berada di maksimum band lubang ringan. Oleh karena itu, rekombinasi lubang-elektron akan terjadi antara minimum konduksi band dan maksimum band lubang ringan di titik Γ jika kita mengabaikan tumpang tindih fungsi gelombang elektron dan lubang yang bergantung pada ruas. Menariknya, maksimum band lubang ringan bergerak bahkan di atas minimum konduksi band di wilayah dasar nanowire yang ditandai dengan kurva hitam pada Gambar 6a dengan tegangan hidrostatis lebih dari sekitar 5,0%. Bandgap negatif yang kami hitung di bawah tegangan tarik tinggi dapat menyebabkan konsekuensi yang kompleks seperti struktur band semilogam [31] atau terbalik [32].

Akhirnya, mobilitas elektron dan lubang akan ditingkatkan di bawah tegangan tarik tinggi dalam nanowire Ge. Untuk Ge longgar, transportasi elektron terutama disumbangkan oleh elektron yang ditempati di lembah L. ketika Ge di bawah tegangan tarik sehingga lembah Γ berada di bawah lembah L seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, kontribusi primer dari transportasi elektron adalah dari lembah Γ. Di sisi lain, partisipasi dominan lubang dalam transportasi adalah dari band lubang ringan di titik Γ di bawah tegangan tarik tinggi, sementara band lubang berat menempati maksimum band valensi dalam keadaan longgar. Karena massa efektif elektron yang jauh lebih kecil di titik Γ dibandingkan dengan titik L, serta penurunan massa efektif dari maksimum band lubang berat ke maksimum band lubang ringan, mobilitas tidak hanya elektron tetapi juga lubang dapat ditingkatkan. Tegangan tarik dapat secara teoritis diprediksi untuk mengurangi massa efektif elektron dan lubang di titik Γ dalam model titik kuantum oleh Califano dan Harrison [29]. Meskipun metode perhitungan kuantitatif tidak cocok untuk model nanowire kami, kami mengasumsikan secara kualitatif bahwa tegangan tarik dapat memodifikasi massa efektif pada k=0 dengan meningkatkan kelengkungan hubungan dispersi untuk k kecil di sekitar titik Γ. Oleh karena itu, mobilitas baik elektron maupun lubang dapat ditingkatkan dalam nanowire Ge yang ditarik. Pembagian band valensi juga menginduksikan kopling elektron-fonon yang kuat dan tabrakan intraband [33], yang membatasi mobilitas lubang untuk lebih rendah dari mobilitas elektron.

Kesimpulan

Secara singkat, kami telah mengusulkan nanowire Ge yang ditarik pada GaSb, membandingkan tiga situasi yang berbeda melalui perubahan energi total sebelum dan setelah penyetoran Ge. Hasilnya menunjukkan bahwa nanowire Ge cenderung membentuk permukaan {105} sepanjang arah pertumbuhan 〈100〉 sebelum jumlah kritis, sedangkan diekspos oleh permukaan {110} setelah jumlah kritis. Analisis bidang tegangan residual dan bandgap telah menunjukkan bahwa bentuk yang sama memiliki distribusi yang serupa baik dalam tegangan maupun Δ E _DT terlepas dari ukuran. Selain itu, tegangan dalam bidang dan tegangan hidrostatis menurun tidak hanya dari tepi ke tengah tetapi juga dari bawah ke atas dalam semua situasi. Karena tegangan tarik tinggi, hampir seluruh nanowire Ge pada GaSb dapat diubah menjadi material bandgap langsung dalam kedua kemungkinan situasi. Juga, lubang ringan terutama berpartisipasi dalam rekombinasi lubang-elektron dan transportasi listrik di titik Γ karena maksimum band lubang ringan menjadi maksimum band valensi di bawah tegangan tarik tinggi. Mobilitas tidak hanya elektron tetapi juga lubang dapat ditingkatkan karena penurunan massa efektif pembawa muatan di titik Γ yang ditentukan oleh tegangan tarik. Performa yang menjanjikan yang diprediksi secara teoritis menunjukkan bahwa nanowire Ge yang ditarik berpotensi diterapkan dalam optoelektronika untuk sumber cahaya dan mikroelektronika untuk perangkat kecepatan tinggi dalam fotonika dan elektronika Si, masing-masing.

Osgilasi Elektromagnetik Longitudinal dalam Logam: Permukaan Pemuasan pada Antarmuka Datar dan Bola Penyelarasan Pengisi Nanokarbon yang Diinduksi Medan Listrik dalam Komposit Epoxi: Pengaruh terhadap Konduktivitas Listrik

bahan nano