Propriedades físicas de ligas semicondutoras de nitretos do grupo III e de semicondutores magnéticos (III,MT)V. - Clóvis Caetano (2009)
Apresentamos neste trabalho o estudo teórico de dois tipos de materiais importantes para o desenvolvimento de novas tecnologias em eletrônica, fotônica e spintrônica. A metodologia utilizada foi uma combinação de cálculos de estrutura eletrônica dentro da Teoria do Funcional da Densidade e de análises estatísticas através do método da Aproximação Quase-Química Generalizada. Na primeira parte do trabalho, fizemos um estudo completo das ligas semicondutoras de nitretos do grupo III: InGaN, AlGaN e AlInN na estrutura wurtzita, com destaque para a liga InGaN. Calculamos as propriedades estruturais dessas ligas e mostramos que os parâmetros de rede seguem a lei de Vegard se considerarmos a estatística, demonstrando a importância da utilização de um método estatístico que leve em conta o maior número possível de configurações da liga. Com relação às propriedades termodinâmicas, construímos os diagramas de fase das ligas InGaN e AlInN, estimando suas temperaturas críticas e regiões de separação de fase, comparando com resultados anteriores calculados para a estrutura zinc-blende. Finalmente, com relação às propriedades eletrônicas, calculamos o gap de energia em função da composição das ligas, além do parâmetro bowing. Para a liga InGaN, encontramos o valor 1,44 eV para o bowing, o que concorda com a maior parte dos dados experimentais e corrobora trabalhos recentes que defendem um valor pequeno para o bowing dessa liga. Outro sistema estudado foi a heteroestrutura (GaN)n/(InGaN)1, formada por uma única camada de InGaN crescida entre n camadas de GaN. Esse sistema, que já foi crescido experimentalmente, possui algumas vantagens em relação à liga bulk, como o fato de não sofrer decomposição spinodal. Um dos nossos resultados foi o cálculo da variação do gap em função da concentração de In na monocamada através do novo método LDA-1/2. A segunda parte do trabalho trata das ligas de semicondutores magnéticos (Ga,MT)As, (Ga,MT)N e (Al,MT)N, onde MT é um metal de transição (Mn ou Cr). Nós analisamos as propriedades estruturais, eletrônicas, magnéticas e termodinâmicas dessas ligas na estrutura zinc-blende em todo o intervalo de composição. Nosso principal resultado foi a verificação de que, em geral, ao contrário das ligas semicondutoras comuns, o parâmetro de rede dessas ligas não segue a lei de Vegard, apresentando mudanças abruptas de acordo com a composição da liga. Além de relacionarmos essa variação com o caráter meio-metálico da liga, nós encontramos uma expressão mais geral que a lei de Vegard e que ajusta muito bem os resultados calculados. Através dessa expressão pudemos quantificar a influência da magnetização sobre o parâmetro de rede das ligas de semicondutores magnéticos. Outro estudo que fizemos foi avaliar a influência da tensão biaxial sobre a estabilidade das ligas GaMnAs e GaCrAs. Nós concluímos que é possível aumentar a estabilidade dessas ligas através do crescimento das mesmas sobre substratos com constantes de rede menores que as do GaAs, substrato mais comum. Por fim, fizemos um estudo dos compostos binários MnN e CrN nas estruturas zinc-blende, wurtzita e NiAs. Nós avaliamos o efeito da tensão biaxial sobre o estado magnético desses compostos. Descobrimos que a tensão biaxial pode provocar uma mudança de estrutura cristalina, levando os materiais da estrutura wurtzita para a estrutura mais simétrica h-MgO.