단기 CdO/MgO 초격자의 밴드갭 연구

결과 및 토론

실험 연구

4ML MgO와 1~12ML 범위의 CdO 부격자 두께를 가진 초격자 구조가 분석되었습니다. 그림 1a, b는 선택한 {CdO/MgO} SL에 대한 전체 범위 XRD 스캔을 보여줍니다. θ /2θ 패턴은 기판의 두 가지 결정학적 방향을 나타냅니다:[01-12] 및 [0001] (r -방향 및 c -정위). 우리는 또한 {CdO/MgO} 초격자 SL의 입방체 위상을 기록했습니다. r에서 자란 샘플의 경우 -평면 사파이어 기판 우리는 [100] {CdO/MgO} SL 배향을 얻었고 c에서 성장한 구조에 대해 -평면 사파이어 기판 [111] {CdO/MgO} SL 방향을 받았습니다. {CdO/MgO} 물질의 다른 결정학적 위상은 관찰되지 않습니다.

a의 {CdO(12.5ML)/MgO(4ML)} 초격자의 Theta–2Theta XRD 스캔 r -알₂ O₃ 그리고 b ㄷ -알₂ O₃

{CdO/MgO} SL의 철저한 분석을 위해 2 Theta–Omega(2θ /ω ) 고해상도 모드에서 스캔이 측정되었습니다. r에서 성장한 SL 구조의 경우 -사파이어 우리는 200{CdO/MgO} X선 회절 반사(그림 2a)와 c에서 성장한 SL 구조를 조사했습니다. -사파이어 111 {CdO/MgO} X선 회절 반사를 조사했습니다(그림 2b). 그림 2의 실선은 측정 결과를 나타냅니다. 초격자 관련 위성 피크는 두 방향에서 명확하게 관찰되어 인터페이스의 양호한 주기성과 부드러움을 확인합니다. SL의 평균 매개변수를 설명하는 0차 피크는 S로 표시됩니다. ₀ . S의 위치 ₀ 피크는 CdO 서브레이어 두께에 따라 다릅니다. 위성 피크(S ₁ , S ₂ )는 두 샘플 모두에서 잘 정의되어 있습니다. 2θ /ω XRD 스캔은 SL(S ₀ 차수 피크)는 Cd 농도가 증가함에 따라 더 작은 각도로 이동합니다. 이는 Cd 함량이 높을수록 격자 매개변수가 증가함을 나타냅니다.

r-Al₂에 대한 200 {CdO/MgO}의 2세타–오메가 O₃ (아 ) 및 111 {CdO/MgO} on c-Al₂ O₃ (b ) CdO 층 두께가 다른 일련의 SL의 XRD 피크. 실선은 2θ입니다. /ω XRD 스캔 측정 결과 및 점선은 2θ입니다. /ω XRD 스캔 시뮬레이션. 범례에 CdO 단층(ML)의 양을 표시합니다.

각각의 측정된 2θ에 대해 /ω 스캔하여 2θ를 계산합니다. /ω [40]에 설명된 피팅 절차를 사용한 프로파일. 그림 2에서 2θ를 보여줍니다. /ω 점선으로 된 XRD 스캔 시뮬레이션. 시뮬레이션 절차는 Takagi와 Taupin[41,42,43]이 설명한 X선 회절의 역학 이론을 기반으로 합니다. Malvern Panalytical에서 제공한 X'Pert Epitaxy 소프트웨어를 사용하여 2θ /ω 곡선. 표 1에서 수집한 시뮬레이션 데이터에서 얻은 결과입니다.

XRD 시뮬레이션에서 얻은 가장 중요한 매개변수는 SL 구조에서 개별 MgO 및 CdO 층의 두께입니다(표 1). MBE 성장 과정에서 가정한 대로 MgO 층의 두께가 각 샘플에 대해 2nm와 동일하다는 것을 분명히 볼 수 있습니다. CdO 층 두께의 경우 가정된 매개변수와 약간의 차이가 관찰됩니다. 표 1에 있는 데이터는 ML의 양으로 표현된 SL(XRD 시뮬레이션에서)의 개별 CdO 및 MgO 층의 재계산된 두께를 보여줍니다.

{CdO/MgO} 유사 합금 필름은 에너지 밴드 갭을 연구하기 위해 UV-가시광선-적외선 분광계로 분석되었습니다. 그림 3은 실온에서 측정한 투과율 스펙트럼을 보여줍니다. 투과 컷오프는 CdO 서브레이어 두께가 감소함에 따라 더 짧은 파장으로 계속 이동합니다. NIR 영역의 투과율 강하는 자유 캐리어 흡수 및 플라즈마 반사와 관련될 수 있습니다[44]. 우리가 알고 있듯이 CdO는 MgO와 달리 전도성이 높습니다. MgO에 대한 CdO의 상대적 두께가 증가하면 CdO 하위층의 더 두꺼운 두께로 인해 샘플의 저항이 증가할 가능성이 큽니다. 흥미롭게도 투과율 강하는 SL의 방향에 따라 달라지므로 추가 연구가 필요합니다. 에너지 밴드 갭 값(E _g )의 SL은 α의 그래프를 외삽하여 파생됩니다. ² 대 hv 직접 전환의 경우(그림 4a, b) 및 α의 경우 ^1/2 대 hv 간접 전환의 경우 α 는 흡수 계수 및 ν Tauc[45]의 연구에 따르면 는 광자 주파수입니다. 더 높은 CdO 두께를 가진 샘플에서 CdMgO 합금에서 상대적으로 더 높은 농도의 Cd를 사용하면 그림 4c, d와 같이 두 개의 선형 영역이 있는 두 개의 간접 밴드 갭을 추출할 수 있습니다. 그림 4는 CdMgO의 밴드 갭이 CdO 두께와 함께 감소함을 보여줍니다. 광투과 측정은 {CdO/MgO} 준 합금의 직접 에너지 밴드 갭이 2.6~6eV 범위에서 변할 수 있음을 보여줍니다.

(a에서 {CdO/MgO} SLs 필름의 투과율 ) r -사파이어 및 (b ) ㄷ -사파이어

(α hv ) ² 그리고 (αhν ) ^1/2 광자 에너지의 함수로 플롯(hν ) c의 {CdO/MgO} SL 영화 - 또는 r -사파이어

계산 방법

이전 조사에 따라 양자 밀도 기능 형식을 기반으로 하는 Vienna ab Initio Simulation Package(VASP)가 여기에 보고된 모든 계산에 사용되었습니다[46,47,48]. 이온 위치의 최적화는 교환-상관 에너지에 대해 다른 GGA(generalized gradient approximation) 기능을 사용하여 두 단계로 수행되었습니다. 에너지 컷오프가 605eV인 표준 평면파 기능 기반 세트가 사용되었습니다. Monkhorst-Pack 그리드(5 × 5 × 5)는 k-공간에서 효율적인 통합을 위해 사용되었습니다[49]. Perdew, Burke 및 Ernzerhof(PBE) 교환 상관 함수를 사용하는 PAW(Projector-Augmented Wave) 의사전위는 Cd, Mg 및 O 원자의 처리에 사용되었습니다[50,51,52]. 10 ^–7 미만의 상대적 에너지 변화에 대해 전자 자체 일관성(SCF) 루프가 종료되었습니다. . 벌크 산화물에 대한 초기 격자 매개변수는 다음과 같습니다. a _CdO =4.783 Å, a _MgO =4.236 Å. 이러한 격자 매개변수는 X선 측정에 의해 결정된 값과 잘 일치합니다. a _CdO =4.695 Å, a _MgO =4.21Å [15, 53]. 단일 원자에 작용하는 힘의 크기가 0.005eV/Å 미만이 될 때까지 원자의 위치를 ​​완화했습니다.

PBE 밀도 함수는 반도체의 밴드 갭에 대해 잘못된 값을 제공합니다. 이러한 결함을 제거하기 위해 (GW) 근사[54], Hartree-Fock 보정을 사용한 하이브리드 함수[55], 반 점유 일반화 기울기 근사(GGA-1/2)[56]와 같은 여러 방법이 사용되었습니다. . 보고된 계산에서 우리는 Ferreira et al.에 의해 제안된 가장 효율적인 후자의 계획을 사용했습니다. [56]. 높은 원자가 상태와 낮은 전도 상태로 인해 작은 분할(10meV 정도)이 발생하기 때문에 이러한 계산에서 스핀-궤도 효과는 무시되었습니다. 벌크 MgO 및 CdO의 계산된 밴드 갭은 E였습니다. _Γ (MgO) =7.1eV 및 E _Γ,L (CdO) =2.55, 1.23eV 각각. 따라서 저온 실험 밴드 갭과 만족스러운 일치를 얻었습니다. E _g (MgO) =7.83eV [15] 및 E _{Γ, L} (CdO) =~ 2.5, 0.8–1.12 eV [57, 58]. 이렇게 하면 첫 번째 단계에서 PBE 근사를 사용하여 원자의 위치와 주기적인 셀 크기가 결정된 구조에 수정된 GGA-1/2 보정 방법을 적용하여 최종 결과를 얻는 위에서 언급한 두 번째 단계가 완료됩니다. . PBE 및 GGA-1/2 근사에 대한 벌크 MgO 및 CdO의 밴드 구조가 그림 5에 나와 있습니다. PBE는 에너지 갭 값을 과소평가하는 반면 GGA-1/2에서는 올바르게 계산됩니다. 수정 후, 페르미 에너지는 가전자대 최대값(VBM)과 전도대 최소값(CBM) 사이에 있습니다. CdO의 밴드 갭은 Refs의 실험적 측정과 일치합니다. [58] 및 [57], MgO의 에너지 갭은 Ref. [15]. CdO에서 페르미 준위의 위치는 GW 접근 방식에 기반한 이론적 모델에서와 동일합니다[59].

(온라인 색상) MgO(왼쪽) 및 CdO(오른쪽)에 대한 PBE(파란색) 교환-상관 기능 및 GGA-1/2(빨간색) 보정을 위해 VAPS에서 얻은 밴드 구조

간섭성 CdO/MgO 다중양자 우물의 이론적 분석에서 우리는 [001] 방향으로 성장한 구조를 사용했습니다. CdO 및 MgO 층은 완전히 변형되었습니다. 즉, 전체 구조에 대해 단일 공통 격자 상수가 있었고 두 재료 사이의 계면에서 전위 또는 결함이 없다고 가정했습니다. 구조는 힘 최소화를 위해 CG(conjugant gradient) 알고리즘을 사용하여 완화되었습니다. 페르미 에너지는 전체 구조에 공통적이었고, CBM에 가까우므로 캐리어 농도를 10 ²⁰ 으로 설정했습니다. cm ³ . 우리는 4ML의 MgO와 2에서 12ML 범위의 CdO 층으로 구성된 구조에 대한 공통 격자 상수를 계산했습니다. 이러한 구조에 대해 GGA-1/2 보정 방법을 사용하여 Brillouin 영역의 서로 다른 지점 사이의 에너지 갭을 계산했습니다. 그림 6은 X에서 전도대의 최소값과 가전자대의 최대값 간의 차이를 보여줍니다. , L 포인트, 최대 하나는 X에 가깝습니다. 포인트이지만 X 쪽으로 약간 이동 ~ X로 표시한 점 .

GGA-1/2 방법을 사용하여 다양한 수의 CdO 단일층 및 4개의 MgO 단일층에 대한 입방형 {CdO/MgO} SL의 계산된 밴드 구조

변형률이 계산된 밴드 구조에 영향을 미친다는 것은 분명합니다. 그림 7에서 구조에서 실현된 변형률 조건을 표시합니다. 플롯에서 CdO 층이 MgO 층에 의해 성장 평면에서 압축되고 이로 인해 재료가 성장 방향으로 늘어납니다(그림 7a). 한편, MgO 층의 면내 인장 변형률 및 면외 압축 변형률을 예상합니다(그림 7b).

4ML의 MgO 및 다양한 수의 CdO 단층 구조에 대해 계산된 변형 조건:(a ) CdO의 평면 내(epsilon xx) 및 평면 외(epsilon zz) 변형 (b ) MgO의 면내 및 면외 변형

실험과 이론의 비교

그림 8에서 CdO 층 두께의 함수로 얻은 밴드 갭 에너지는 계산 결과와 비교됩니다. 우리의 실험 포인트는 100에 대해 가득 찬 것으로 표시되고 111 방향에 대해 열려 있습니다. 검은색, 빨간색 및 파란색 실선은 Γ, X에서 직접 및 간접 밴드 갭의 이론적으로 얻은 값을 나타냅니다. 그리고 ~ M 포인트들. 실험 데이터는 다소 흩어져 있지만 이론적인 경향을 반영합니다. 에너지 갭의 실험값은 이론적으로 예측된 ​​값보다 높습니다. Cd가 풍부한 영역을 가진 CdO 기반 층의 경우 전자 농도가 일반적으로 높다는 점에 유의해야 합니다[57, 60]. 캐리어 밀도가 증가하면 밴드의 상태가 채워져 흡수 시작이 더 높은 에너지로 이동한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 이 효과는 1954년 Moss[61]와 Burstein[62]에 의해 독립적으로 발견되었으며 Burstein-Moss shift(BMS)라고 합니다. 따라서 CdO 기반 물질에서 밴드 갭 재정규화는 약 9 × 10 ¹⁸ 의 전자 밀도까지 고려되어야 합니다. cm ⁻³ . BMS는 CdO 층의 두께가 더 두꺼운 SL 구조의 경우 더 높을 것으로 예상합니다. 마찬가지로, SL 층의 응력은 측정된 밴드 갭 에너지에 영향을 줄 수 있습니다. 우리가 알고 있는 바와 같이, 더 두꺼운 MgO 및 CdO 하위층의 경우 구조가 부분적으로 완화될 수 있는 반면, 완전히 변형된 SL에 대해 계산이 이루어졌습니다. 즉, 단일 격자 상수가 전체 구조에 사용되었으며 전위 또는 두 부격자 재료 사이의 경계면에 결함이 있습니다. 페르미 에너지는 전체 구조에 공통적이며 에너지 갭의 중간에 있으므로 자유 캐리어 농도를 0으로 설정했습니다. B의 계산된 값 -엠 2 × 10 ²⁰ 의 전자 농도 수준에 대한 순수 CdO의 이동 cm ⁻³ 약 300meV이므로 Cd가 풍부한 구조의 경우 측정된 에너지 밴드 갭에서 특정 값(<300meV)을 빼야 합니다.

<그림>

Γ, X의 이론적 밴드 갭(실선) 비교 포인트 및 최대 하나는 M에 가깝습니다. 투과율 데이터에서 얻은 포인트 및 실험 데이터(기호)

X선 회절의 경우 측정된 SL에 대한 평균 격자 상수도 뺍니다. 측정된 격자 상수는 CdO 하위층 두께에 따라 증가합니다. 얻어진 데이터를 그림 9의 이론적인 계산과 비교하였다. 실험적인 값은 계산된 값보다 작게 보이지만 실험적인 데이터는 이론적인 경향을 재현한다.

<사진>

CdO 하위층의 두께가 다른 일련의 SL에 대한 이론적인 격자 상수(실선)와 실험 데이터(기호:111 방향에서 성장한 샘플의 경우 개방, 001 방향에서 성장한 샘플의 경우 전체)의 비교

결론

결론적으로 {CdO/MgO} 준합금은 MBE법에 의해 두 가지 결정학적 방향으로 합성되었다. 그들의 에너지 밴드 갭과 격자 상수 특성은 실험적으로 연구되고 이론적으로 계산되었습니다. {CdO/MgO} 준합금의 에너지 밴드 갭은 CdO 부격자의 두께를 변경하여 2.6~6eV의 넓은 범위에서 연속적으로 변조될 수 있습니다. 상응하게, {CdO/MgO}에 대해 측정된 평균 격자 상수는 MgO 두께가 일정하게 유지되고 CdO 두께가 1에서 12 ML로 증가함에 따라 4.23에서 4.61Å으로 다양했습니다. 격자 상수의 얻은 값은 이론적 계산과 잘 일치하지만 계산된 값보다 다소 작은 반면 측정된 에너지 갭은 완전히 변형된 구조에 대해 계산된 초기 값보다 높습니다. 결과는 {CdO/MgO} 준 합금을 사용하여 CdO의 에너지 밴드 갭을 더 높은 값으로 조정할 수 있으며 넓은 범위에 걸쳐 에너지 갭을 설계하는 것이 가능함을 보여줍니다. 이 연구는 {CdO/MgO} 이종 구조가 가시광선, UV A, UV B 및 UV C 영역에 대한 검출기와 같은 새로운 광전자 장치를 개발하는 데 유용할 수 있음을 보여주었습니다.

데이터 및 자료의 가용성

해당 없음.

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