Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/18399
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Estudo teórico das propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de superfícies semicondutoras dopadas: (i) metais de transição sobre o InAs(110) e (001) e (ii) boro sobre o Si(111)
Author: Deus, Dominike Pacine de Andrade
First Advisor: Miwa, Roberto Hiroki
First member of the Committee: Monte, Adamo Ferreira Gomes do
Second member of the Committee: Schmidt, Tome Mauro
Third member of the Committee: Sousa, José Eduardo Padilha de
Fourth member of the Committee: Mazzoni, Mário Sérgio de Carvalho
Summary: Utilizando cálculos de primeiro princípios, nós encontramos propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas dos metais de transição (MTs) Co, Fe e Mn depositados em InAs(110) e InAs(001), uma superfície semicondutora III-V. Em relação às propriedades estruturais, obtidas através de relaxação iônica e imagens STM (do inglês, scanning tunneling microscopy) teóricas, nós verificamos que os MTs se posicionaram mais próximos aos arsênios quando comparado com as distâncias interatômicas MTs-In. Utilizando NEB (do inglês Nudged Elastic Band, nós verificamos que os MTs substituem a posição de um cátion da primeira camada da superfície InAs(110). Verificamos ainda que a formação de trilhas de MTs é mais estável na direção [110]. Por outro lado, os MTs causaram grande deformação no topo das reconstruções InAs(001)-^2(2 x 4) (rica em arsênios) e InAs(001)-Z(4 x 2) (rica em In). Através da comparação de energia de adsorção, foi verificado que o cobalto é o elemento que possui maior adesão em InAs(110) e InAs(001), enquanto a incorporação de MTs sobre o substrato se mostrou um processo exotérmico. Através da aproximação de Bader para o cálculo de carga eletrônica, nós encontramos que os MTs atuam como átomos aceitadores de elétrons e, consequentemente, foi constatado a redução dos momentos magnéticos de spin dos íons magnéticos. O acoplamento magnético entre os MTs (a partir de dois íons magnético por supercélula) em InAs(110) é sempre antiferromagnético (AF) via superexchange, cuja interação sfoi mediada pelos orbitais p do ânions da rede. Contudo o acomplamento magnético entre os MTs nas reconstruções /32(2 x 4) e Z(4 x 2) se mostrou dependente da posição final dos MTs sobre o substrato, por exemplo, os íons magnéticos apresentaram acomplamento ferromagnético em Co2/InAs(001)-^2(2 x 4). Por fim, foi verificado que a energia de anisotropia magnética se mostrou sensível à concentração e à posição dos íons magnéticos na rede semicondutora. Sendo assim, baseados nestes resultados, nós concluimos que as propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas dos sistemas MTs/InAs são expressivamente anisotrópicas. A reconstrução superficial do B/Si(1 1 1)- (/3 x //3) R30° tem sido utilizada recentemente como uma plataforma de montagem supramolecular. Porém, o nosso entendimento dos defeitos nativos desse sistema á-dopado e de suas correspondentes assinaturas via microscopia de tunelamento com varredura é incompleto. Neste trabalho, portanto, estudamos esse sistema fazendo uso de cálculos de energia total ab initio e da técnica de Microscopia de Tunelamento. Descobrimos que, embora perturbações à geometria de equilíbrio da superfície sejam geralmente fracas, as perturbações causadas às estruturas eletrônicas podem ser um tanto quanto fortes devido à presença de ligações pendentes compostas de orbitais Si-3p^. Além disso, propomos uma possível estrutura para um defeito anteriormente identificado que aparece em imagens STM a corrente constante e tensão de polarização positiva como um arranjo na forma de um triângulo equilátero de átomos adsorvidos de Si com intensidade atenuada.
Abstract: Based on first principles calculations, we have studied the structural, electronic, and magnetic properties of transition metals (MTs) Co, Fe, and Mn adsorbed on the III-V semiconductor surfaces, namely, InAs (110) and InAs (001). As regards the structural properties, obtained through ionic relaxation and theoretical scanning tunneling microscopy (STM) images, we found that MTs were positioned closer to the arsenic, while the MTs-In interatomic distances are larger. Using NEB (Nudged Elastic Band), we have verified that MTs replace the topmost cation of the InAs (110) surface. We also verified the energetic preference to the formation MTs chains along the direction [110]. On the other hand, MTs induce large structural deformation on the InAs(001)-S2(2 x 4) (As-rich), and InAs(001)- Z(4 x 2) (In-rich) surfaces. By comparing adsorption energies, we verified the energetic preference of cobalt adatoms,compared with the other MTs, on the InAs(110) and InAs(001) surface, while MTs incorporation on the substrate express an exothermic process. Using Bader’s approach for charge transfer calculations, we find that the MTs act as acceptor dopants and, consequently, the reduction of the magnetic moments of spin of magnetic ions was observed. The magnetic coupling between the MTs (two, three or four magnetic ions per supercell) no InAs (110) is always antiferromagnetic (AF) via superexchange, whose interaction is mediated by the p orbitals of the substrate anions. However, the magnetic coupling between the MTs in the /32(2 x 4) and Z (4 x 2) reconstructions has been shown to be dependent on the location of the MTs on the substrate, for example, the magnetic ions have a ferromagnetic coupling in Co2/InAs(001)-S2(2 x 4). Finally, the magnetic anisotropy energy is sensitive to the concentration and position of the magnetic ions in the semiconductor substrate. Therefore, based on these results, we conclude that the structural, electronic and magnetic properties of the MTs/InAs systems are expressively anisotropic. The B/Si(111)-(\/3 x \/3)R300 surface reconstruction has recently been used as a platform for supramolecular assembly. However, our understanding of the native defects in this delta- doped system and their corresponding STM signatures is incomplete. So we have studied this system using ab initio total energy calculations and scanning tunneling microscopy. We find that although perturbations to the equilibrium geometry of the surface are in general weak, the perturbations to the electronic structure can be quite strong due to the presence of dangling bonds composed of Si-3p^ orbitals. Additionally, we propose a possible structure for a previously unidentified defect that appears in positive bias constant-current STM images as an equilateral triangular arrangement of Si adatoms with attenuated intensity.
Keywords: Física
Metais de transição
Funcionais de densidade
Semicondutores
Teoria do funcionalde densidade
Superfície
Selta dopante
Density functional theory
Semiconductors
Surface
Transition metal
δ-dopant
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: DEUS, Dominike Pacine de Andrade. Estudo teórico das propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de superfícies semicondutoras dopadas: (i) metais de transição sobre o InAs(110) e (001) e (ii) boro sobre o Si(111). 2017. 204 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2017.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/18399
Date of defense: 23-Mar-2017
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