Komposisi Ketergantungan Struktural dan Sifat Elektronik InGaNBi Kuarter

Hasil dan Diskusi

Properti Struktural

Supercells terdiri dari 4x2x2 sel primitif WZ-GaN, termasuk 64 atom. Kami menyelidiki 36 komposisi I n _y Ga _1−y T _1−x Bi _x dengan 0≤x 0.09375,0≤y 0.5 berdasarkan eksperimen baru-baru ini di mana sampel InGaN menunjukkan ketidakcocokan kisi yang besar dan kualitas yang buruk untuk kandungan In yang lebih tinggi dari 55–60% [32] serta kelarutan bismut yang rendah dalam paduan bismida yang diencerkan. Satu konfigurasi perwakilan dianggap di mana atom In dan Bi tersebar merata. Kami telah merangkum parameter kisi yang dihitung dari ternary Dalam _y Ga _1−y N dan kuartener Dalam _y Ga _1−y T _1−x Bi _x paduan bersama dengan data teoretis dan eksperimental lainnya pada Gambar. 1. Untuk GaN murni, parameter kisi a =3.211, c =5.235 , yang sesuai dengan perhitungan teoritis lainnya a =3.155,3.22 , c =5.144,5.24 [39–41] dan data eksperimen 3,19 untuk a , 5.19 untuk c [42]. Parameter kisi (a , c ) dari Dalam _y Ga _1−y N naik ketika komposisi In dinaikkan dan menunjukkan variasi yang hampir linier, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Perhitungan saat ini memprediksi a =3,304 , c =5,365 untuk Dalam _0,25 GaN dan a =3,397 , c =5.509 untuk Dalam _0,5 GaN, semuanya sangat setuju dengan hasil a previous sebelumnya =3,33 , c =5,39 untuk Dalam _0,25 GaN dan a =3.43,3.485 , c =5.55.5.488 untuk Aku n _0,5 GaN [39, 40, 43, 44]. Dalam kasus paduan kuaterner Dalam _y Ga _1−y T _1−x Bi _x , sejauh yang kami ketahui, tidak ada nilai eksperimental dan teoretis untuk sifat struktural. Pada Gambar 1b, parameter kisi yang diperoleh juga meningkat hampir secara linier dengan meningkatnya komposisi In dan Bi. Karena jari-jari ionik In dan Bi lebih besar daripada atom Ga dan N, substitusi In atas Ga dan Bi atas N menyebabkan parameter kisi InGaNBi meningkat.

Parameter kisi untuk a paduan terner Dalam _y Ga _1−y T , dengan 0≤y 0,5 dan b paduan kuaterner Dalam _y Ga _1−y T _1−x Bi _x , dengan 0≤x 0.09375, 0≤y 0,5. Sebagai perbandingan, kami menambahkan beberapa perhitungan lain dan data eksperimen dari Ref. [39–44] pada Gambar 1a. Garis padat mewakili a dan garis putus-putus adalah c

Penggabungan In dan Bi akan mematahkan periodisitas kristal dan menyebabkan deformasi geometris dalam struktur paduan berat. Kami memilih Dalam _0,25 GaN Bi _0,0625 sebagai contoh untuk empat statistik ikatan kimia, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2; panjang rata-rata ikatan Ga-N, In-N, Ga-Bi, dan In-Bi masing-masing adalah 2.009, 2.195, 2.592, dan 2.704 . Perhatikan bahwa panjang ikatan Ga-N dalam GaN curah murni adalah 1,970 . Panjang ikatan In-N lebih besar dari pada Ga-N, yang menunjukkan atom In secara nyata mendorong atom N menjauh. Demikian pula, panjang ikatan Ga-Bi yang lebih besar daripada Ga-N berarti atom Bi mendorong atom Ga menjauh, menemukan konsistensi yang baik dengan orde jari-jari kovalen Ga (1,22 ), In (1,42 ), N (0,71 ), dan Bi (1,48 ) [45]. Konfigurasi lain menampilkan perilaku serupa. Deformasi kisi dan disparitas elektronegativitas antara host dan dopan memiliki efek yang cukup besar pada sifat elektronik dan optik.

Histogram panjang ikatan dalam Dalam _0,25 GaNBi _0,0625 . Nilai di panel menunjukkan panjang rata-rata dari keempat jenis ikatan

Properti Elektronik

Telah ditunjukkan bahwa potensi fungsional atau koreksi dan efek SOC sangat mempengaruhi akurasi prediksi energi celah pita paduan III-V, pita valensi, dan energi pemisahan spin-orbit. Dengan demikian, kami memvalidasi hasil kami menggunakan potensi MBJLDA dan membandingkan dengan perhitungan dan eksperimen teoretis lainnya. Gambar 3 adalah plot energi celah pita versus komposisi Dalam di Dalam _y Ga _1−y N serta kecocokan dengan data. Beberapa nilai celah pita yang diperoleh melalui eksperimen, fungsi teoritis HSE06, mBJ, dan LMTO-CPA-MBJ juga diplot. Celah pita GaN yang diprediksi adalah 3,273 eV, yang merupakan konsistensi yang baik dengan perhitungan dan eksperimen saat ini, 3,33 eV oleh mBJ [40], 3,261, 3,23 eV oleh HSE06 [39, 46], dan 3,40–3,50 eV oleh eksperimen [47– 49]. Seperti yang diamati di I n _y G a _1−y N, hasil DFT kami mengonfirmasi bahwa E _g nilai I n _y G a _1−y N terus berkurang sebagai y meningkat dari 0 menjadi 50%. E _g menurun dengan lancar dari 3,273 menjadi 1,546 eV. Ini sebanding dengan hasil teoritis (potensi HSE06, mBJ)[39, 40, 46] dan eksperimen [50, 51].

Energi celah pita yang diprediksi (E _g , garis merah solid) sebagai fungsi komposisi In di I n _y G a _1−y T serta sesuai dengan data (garis putus-putus hitam). Hasil teoretis [39, 40, 46] dan eksperimental [47–51] lainnya juga diplot

Plot kontur untuk celah pita kuarter I n _y G a _1−y T _1−x B i _x paduan ditunjukkan pada Gambar. 4. Celah pita paduan kuaterner menampilkan tren non-linier sebagai fungsi komposisi, yang menurun dengan meningkatnya konten In dan Bi. Dari hasil, kami menemukan bahwa celah pita InGaNBi dapat mencakup rentang energi yang luas dari 3,273 hingga 0,651 eV untuk Bi hingga 9,375% dan In hingga 50%, sesuai dengan rentang panjang gelombang dari 0,38 hingga 1,9 m, yang menunjukkan potensi aplikasi optoelektroniknya dalam cahaya tampak dan cakupan inframerah-tengah.

Plot kontur nilai celah pita untuk I n _y G a _1−y T _1−x B i _x paduan, sebagai fungsi dari Bi(x ) dan Dalam(y ) komposisi

Dibandingkan dengan InGaN, penggabungan Bi menginduksi pengurangan celah pita yang lebih tajam. Tapi di luar itu, peningkatan yang signifikan dalam Δ _BEGITU diperoleh karena efek SOC yang kuat dari bismut di mana interaksi lanjutan antara putaran elektron dan momentum sudut orbital menurunkan energi pita SO. Selanjutnya, peningkatan tepi pita valensi yang muncul dari efek anti-persilangan pita valensi dari paduan bismida juga sebagian besar meningkatkan Δ _BEGITU [28]. Δ . perhitungan kami _BEGITU nilai masing-masing sekitar 0,220 eV untuk 3,125%, 0,360 eV untuk 6,25%, dan 0,600 eV untuk 9,375% Bi, yang memiliki variasi yang tidak signifikan dengan fraksi indium. Penyelidikan sebelumnya telah menunjukkan bahwa pengaturan Bi yang berbeda sangat berpengaruh pada struktur pita paduan bismida, termasuk energi pemisahan spin-orbit [21, 52]. Hasil saat ini menunjukkan bahwa I n _0,5 G a T B i _0,09375 nilai celah pita (0,651 eV) sangat dekat dengan Δ _BEGITU (0,577 eV). Karena sampel InGaN menunjukkan ketidakcocokan kisi yang besar dan kualitas yang buruk untuk kandungan In lebih tinggi dari 55–60% [32] serta kelarutan bismut yang rendah dalam paduan bismida encer, kami menetapkan konten In hingga 50% dan Bi hingga 9,375%. Kami percaya bahwa konten indium atau bismut yang lebih tinggi akan mencapai Δ _BEGITU >E _g dalam sampel InGaNBi kuaterner untuk meningkatkan efisiensi LED dan LD berbasis InGaNBi.

Struktur pita yang diproyeksikan dan kepadatan total keadaan (TDOS) dari GaN murni, I n _0,25 GaN, dan Aku n _0,25 G a T B i _0,03125 paduan disajikan pada Gambar. 5. Kontribusi In dan Bi disorot oleh warna:biru (merah) sesuai dengan keadaan yang berasal dari In (Bi). Substitusi In di I n _0,25 GaN memiliki pengaruh besar pada pita konduksi dan pita valensi, di mana pita konduksi minimum (CBM) didorong ke energi yang lebih rendah mengenai tingkat Fermi dan mencerminkan celah energi yang lebih sempit. Tidak seperti bismut yang memperkenalkan pita cacat di celah terlarang dekat tingkat Fermi, atom In menunjukkan hibridisasi dengan tingkat VB yang dalam. Untuk paduan kuaterner I n _0,25 G a T B i _0,03125 , dapat dilihat dengan jelas bahwa pengurangan celah pita dihasilkan dari pita valensi ke atas (VBM) dan CBM ke bawah, dan perubahan CBM lebih signifikan dibandingkan dengan I n _0,25 GaN, yang dikaitkan dengan regangan tekan yang lebih besar di InGaNBi dari penambahan bismut. Tingkat cacat disorot oleh warna merah memiliki interaksi yang kuat dengan tepi VB, yang berasal dari hibridisasi terutama antara atom Bi dan dekat Ga. TDOS pada Gambar. 5e juga mencerminkan tingkat kerusakan lokal pada 1.0 hingga 0.5 eV.

Struktur pita yang diproyeksikan dan kepadatan total keadaan (TDOS) yang sesuai dari a GaN, b , c Aku n _0,25 G a T , dan d , e Aku n _0,25 G a T B i _0,03125 . Garis putus-putus hitam mewakili tingkat Fermi, yang ditetapkan menjadi nol. Kontribusi relatif In dan Bi disorot dengan warna:biru (merah) sesuai dengan status yang berasal dari In (Bi)

Strain InGaNBi pada GaN

I . yang berorientasi [0001] n _y G a _1−y Sumur kuantum tegang N/GaN secara luas diadopsi dalam perangkat LED dan LD saat ini, di mana I n _y G a _1−y Lapisan N mengalami tegangan tekan biaksial. Fluktuasi komposisi lokal dan jari-jari kovalen atom In dan Ga yang berbeda menimbulkan regangan di I n _y G a _1−y N lapisan [53]. Gambar 6 menunjukkan strain InGaNBi pada substrat GaN. Karena atom indium lebih besar dari atom galium, atom bismut lebih besar dari atom nitrogen; dengan demikian, menggabungkan atom In dan Bi dalam InGaNBi menginduksi regangan tekan InGaNBi pada GaN. Terlihat bahwa pada kandungan In 50% dan kandungan Bi sebesar 9,375%, InGaNBi berada di bawah regangan tekan 8,5% yang tinggi. Untuk fraksi In dalam 6,25% dan fraksi Bi dalam 2,8%, regangan InGaNBi pada GaN berada dalam 1%. Artinya, melalui penyesuaian komposisi In dan Bi, InGaNBi dapat dirancang pada GaN dengan regangan yang dapat diterima.

Strain paduan InGaNBi pada substrat GaN pada berbagai In (0–0,5) sebagai fungsi fraksi Bi. Nilai regangan positif menunjukkan InGaNBi berada di bawah regangan tekan