Bizmut ve azot içeren III-V grubu yarıiletken alaşımların fiziksel özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı teknolojide büyük öneme sahip 1x1x1 süper-hücre kullanılarak III-V grubu GaAs, InAs, GaN, InN ve GaBi ikili bileşiklerinin, GaInAs, GaAsN ve GaAsBi üçlü ve GaInAsN dörtlü alaşımlarının fiziksel özelliklerinin çinko-sülfür (ZnS) yapıda araştırılmasıdır. Fiziksel özellikler kapsamında bu malzemelerin yapısal, elektronik ve optiksel özellikleri incelendi. Elektronların değiş-tokuş korelasyon enerjileri için yerel yoğunluk ve genelleştirilmiş gradyent yaklaşımları kullanıldı. Yapılan hesaplamalar yoğunluk fonksiyonel teorisini esas alan WIEN2k koduyla elde edildi. Öncelikle çalışılan malzemelerin taban durumu örgü parametresi hesaplandı. Elde edilen örgü parametreleri deneysel ve teorik çalışmalar uyumlu bulunması yapılacak olan elektronik ve optiksel çalışmaların doğruluğunu arttıracağı tespit edildi. Üçlü alaşımlar için elde edilen örgü parametrelerinin Vegard kanunuyla uyuştuğu görüldü. Daha sonra elektronik özellikler kapsamında incelenen ikili bileşiklerden GaBi metalik özellik gösterirken, diğer ikili bileşikler ise açık şekilde doğrudan bant aralığına sahip yarıiletken davranış gösterdiği tespit edildi. Üçlü ve dörtlü alaşımlar ise, GaAsBi üçlü alaşımı hariç, tüm konsantrasyonlarda doğrudan bant aralığına sahip yarıiletken oldukları görüldü. GaAsBi ise %44.2 Bi konsantrasyonuna kadar yarıiletken bu orandan büyük (>%44.2) konsantrasyonlarda ise metalik özellik gösterdiği elde edildi. GaAsBi alaşımının sahip olduğu geniş bant aralığı yakın kızıl ötesi ve kızıl ötesinde yer alması bu malzemenin özellikle Tera-Hertz uygulamaları ve fiber-optik alanlarda kullanılabileceği tespit edildi. Elektronik özellikler kapsamında GaAsN ve GaAsBi üçlü alaşımlarının elektronik bant yapılarında meydana gelen bükülme parametreleri incelenerek bizmutun valans bandını azotun ise iletkenlik bandını etkilediği tespit edildi. Son olarak tez kapsamında incelenen tüm malzemeler için kompleks dielektrik fonksiyonu hesaplandı. İmajiner dielektrik fonksiyonunda meydana gelen temel soğurma sınırı malzemelerin yasak bant enerjilerine karşılık geldiği tespit edildi. Reel ve imajiner dielektrik fonksiyonlar kullanılarak diğer optiksel sabitler olan soğurma katsayısı, yansıma spektrumu, kırılma indisi, sönüm katsayısı ve enerji kayıp fonksiyon spektrumları elde edildi.

The aim of this work is investigation of physical properties of GaAs, InAs, GaN, InN and GaBi binary compounds, GaInAs, GaAsN and GaAsBi ternary and GaInAsN quaternary alloys of III-V group using 1x1x1 supercell at zinc-blende (ZnS) structure. As part of physical properties, the structural, electronic and optical properties have been investigated. The local density and generalized gradient approximation are used for exchange and correlation energy. The calculations are obtained by WIEN2k code based on density functional theory. Firstly, ground state lattice parameter is calculated for studied materials. The obtained lattice parameters are in good agreement with experimental and theoretical studies. That result increases reliability of electronic and optical results. The calculated lattice parameters of ternary alloys are coincidence with Vegard's law. Within the scope of electronic properties, GaBi compound behaves metallic, but other binary compounds behaves semiconductor with direct band gap. With the exception of GaAsBi alloy, all of ternary and quaternary alloys have direct band gap for all concentration. Reach up to % 44.2 Bi concentration, GaAsBi ternary alloy behaves semiconductor, but bigger than that concentration it becomes metal material. So, GaAsBi alloy has a large infra-red spectrum which is important for tera-hertz and fiber-optic applications. And, the bowing parameter of GaAsN and GaAsBi is obtained. Also, it is found that bismuth effects valance bands, while nitrogen effects conduction band. Finally, complex dielectric function is calculated for all studied materials. It is determined that, fundamental absorption limit is correspond to forbidden band energy of materials. Using the real and imaginer dielectric function, the other optical constants, such as absorption coefficient, reflectivity, refractive index, extinct coefficient and energy loss function, are obtained.