Ponthibák azonosítása félvezeto˝ szerkezetekben hiperfinom tenzor számításával (munkabeszámoló)
Szász Krisztián MTA Wigner SZFI, PhD hallgató
2013.05.07.
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
1/ 13
Vázlat
1
Bevezetés kutatási téma, célkituzések ˝
2
Számítási módszer elmélet, kódok
3
Eredmények
4
Aktuális feladatok
5
Publikációk
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
2/ 13
Bevezetés
Téma: Átmeneti fémek és egyéb ponthibák vizsgálata félvezeto˝ kristályokban, pl. gyémánt, szilíciumkarbid. (2011. szeptember ˝ Gali Ádám) óta, témavezeto: Két okból fontos: 1) Félvezeto˝ iparban: károsak a mélynívójú hibák; optoelektronikai eszközök (GaN, SiC) 2) Kvantumbit felhasználás: optikailag gerjesztheto˝ hibák (gyémánt, SiC és Si) Paramágneses hibák azonosítása EPR méréssel lehetséges a hiperfinom kölcsönhatás révén. Összehasonlítás különbözo˝ hibákra kiszámolt hiperfinom tenzorokkal.
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
3/ 13
Számítási módszer Hiperfinom tenzor A hibaállapot elektron spinje és a magspin kölcsönhat: HHF = IAS. Izotrop (Fermi-kontakt) és anizotrop (dipól-dipól) rész: 2 µ0 γe γI ̺s (r = RI ), 3 hSz i Z 3ri rj − δij r 2 µ0 γe γI = dr ̺s (r + RI ) 2π hSz i r5 Aizo =
ij
Aanizo
˝ számolva. → PAW módszer, spinsur ˝ uség ˝ DFT-bol Ezeket az adatokat EPR mérésben meg lehet határozni a külso˝ mágneses tér forgatásával. Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
4/ 13
Sur ˝ uségfunkcionál ˝ elméleten alapuló ab initio számolások párhuzamosított futások hazai és külföldi szuperszámítógépeken, síkhullám bázisú kód: VASP (és CPPAW), ponthiba modellezése szupercella módszerrel, PBE vagy HSE funkcionálok használata. Z GGA Exc = dr 3 ̺εLDA (̺)Fxc (̺↑ , ̺↓ , ∇̺↑ , ∇̺↓ ), HSE Exc = aExHF SR (ω) + (1 − a)ExPBE SR (ω) +
+ ExPBE LR (ω) + EcPBE . HSE pontos tiltott sávot, pontos mélynívó szintet ad.
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
5/ 13
Eredmények 1. V1− C (k) SiC-ban
C3v
C1h a" e
CBM a'
k
Si
A
a1
a'
VBM
C
h k
a'
Si1
B k
A h
k h
a1
A
h c
C
C A B
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
6/ 13
Számolás (mT): Si1
atom Si3,4 Si5,6 C1,2
Axx 9.38 0.78 1.27
atom
Axx
Ayy
Azz
ϑ
ϕ
Si3,4 Si5,6 C1,2
10.04 0.87 1.33
10.15 0.85 1.31
12.99 1.12 1.85
68.9◦ 62.7◦ 82.3◦
39.0◦ 51.8◦ 6.4◦
Si2
Azz 12.71 1.03 1.86
ϑ 69.9◦ 63.6◦ 82.4◦
ϕ 41.0◦ 47.2◦ 5.6◦
Kísérlet (mT):
(a) T < 30 K Si2 Si3
Si2
Si2
Si2 C1h
Si4 Si3
(b) T > 30 K
Si2
C1h
Si3
Si4 Si2
Si2
C1h
C1h
Si4
Si3
C1h
Si4
C1h
Si3
Si3
Ayy 9.61 0.74 1.26
Si4
Si3
Si4
C3v
Si4
X. T. Trinh, K. Szász, T. Hornos, K. Kawahara, J. Suda, T. Kimoto, A. Gali, E. Janzén and N. T. Son: Large scale density functional theory supercell simulation and electron paramagnetic resonance study on the negative-U carbon vacancy in 4H-SiC: assessment of the charge correction schemes and identification of the negative carbon vacancy at quasi-cubic site. (beküldve PRB-be)
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
7/ 13
2. PBE vagy HSE? PBE - 2 × 2 × 2 (MHz)
Si1
atom Si3,4 Si5,6 C1,2
Axx -247.5 -26.0 40.3
atom Si3,4 Si5,6 C1,2
Axx -260.6 -21.6 40.6
Ayy -252.3 -25.1 39.9
Azz -328.9 -33.2 55.8
A1c 17.7 1.6 -4.6
HSE (MHz)
Si2
Ayy -267.1 -20.4 40.3
Azz -354.0 -28.7 57.3
A1c -2.3 -0.3 -5.0
Kísérlet (MHz) A1c : a törzselektronok spinpolarizációjából eredo˝ járulék
Szász Krisztián
atom
Axx
Ayy
Azz
Si3,4 Si5,6 C1,2
281.4 24.4 37.3
284.5 23.8 36.7
364.0 31.4 51.9
Ponthibák azonosítása
8/ 13
˝ Vizsgálat különbözo˝ félvezetokben levo˝ fontosabb vagy jól ismert ponthibákra - kísérleti hiperfinom értékek reprodukálása K. Szász, T. Hornos, M. Marsman and A. Gali: Hyperfine couplings of point defects in semiconductors by hybrid density functional calculations: the role of core spin-polarization. (beküldve PRB-be)
Nitrogén vakancia pár gyémántban (NV− )
C1−3 (MHz) PBE HSE Kísérlet
Szász Krisztián
Axx 119.9 144.6 120.3
Ponthibák azonosítása
Ayy 119.6 144.4 120.3
Azz 199.8 228.8 199.7
A1c -28.8 -30.4
9/ 13
Szilícium vakancia 4H-SiC-ban (V− Si (h,k)) C1 (h) (MHz) PBE HSE Kísérlet
Axx 42.1 52.2 33.8
Ayy 42.1 52.2 33.8
Azz 92.2 105.2 80.1
A1c -18.7 -19.9
C1 (k) (MHz) PBE HSE Kísérlet
Axx 41.5 52.1 33.2
Ayy 41.5 52.1 33.2
Azz 90.1 103.5 80.2
A1c -18.0 -19.1
Szubsztitúciós oxigén atom Si-ban (VO− ) Si1,2 (MHz) PBE HSE Kísérlet
Szász Krisztián
Axx -326.7 -380.3 386.1
Ponthibák azonosítása
Ayy -323.9 -376.1 386.1
Azz -393.6 -455.1 458.6
A1c -2.2 -2.8
10/ 13
Foszfor vakancia pár Si-ban (PV0 ) (a)
(b)
4Å
Å
Å
3.5 7
3.56 Å 4 3.1
3.57
Å
Si3 Si2
3.1
2.96 Å Si3
P
P
Si2
Si1 (MHz) PBE HSE Kísérlet
Axx -245.8 -253.4 -295.3
Ayy -245.6 -252.9 -295.3
Azz -390.1 -431.9 -449.9
A1c 1.5 2.1
Si1
Si1
system
isotope
PBE without A1c
PBE with A1c
HSE without A1c
HSE with A1c
NV VSi (k) VSi (h) VO PV MAE MSE
13 C
0.32(0.41) 20.87(8.87) 21.34(9.54) 15.23(62.22) 15.63(53.01) 14.67 18.57
21.04(29.11) 22.72(9.12) 23.37(9.18) 14.68(59.99) 16.07(54.48) 19.58 22.58
18.27(25.83) 47.69(20.38) 46.75(20.64) 1.62 (6.42) 10.84(34.09) 25.03 35.10
3.77(4.70) 2.03(1.49) 5.11(2.73) 0.93(3.62) 11.46(36.14) 4.66 7.09
13 C 13 C 29 Si 29 Si
HSE funkcionál használata és a törzselektronok korrekciója együtt írja le helyesen a rendszer fizikáját. Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
11/ 13
Aktuális feladatok
Divakancia 3C-/4H-/6H-SiC-ban: hiperfinom számítás több konfigurációra (pl. hk, hk1) alap és gerjesztett állapotban. ODMR mérések és D tenzor. GaN-beli mélynívójú elektromosan töltött ponthibák (pl.: VN -VGa , VGa ) vizsgálata Disszertáció elkészítése
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
12/ 13
Publikációk 1. N.T. Son, X. T. Trinh, A. Gällström, S. Leone, O. Kordina, and E. Janzén; K. Szász, V. Ivády and A. Gali: J. Appl. Phys., 112 083711 (2012) 2. K. Szász, I. Bakonyi: Modeling the magnetoresistance vs. field curves of GMR multilayers with antiferromagnetic and/or orthogonal coupling by assuming single-domain state and coherent rotation. Journal of Spintronics and Magnetic Nanomaterials 1, 157 (2012) 3. X. T. Trinh, K. Szász, T. Hornos, K. Kawahara, J. Suda, T. Kimoto, A. Gali, E. Janzén and N. T. Son: Large scale density functional theory supercell simulation and electron paramagnetic resonance study on the negative-U carbon vacancy in 4H-SiC: assessment of the charge correction schemes and identification of the negative carbon vacancy at quasi-cubic site. (beküldve PRB-be) 4. K. Szász, T. Hornos, M. Marsman and A. Gali: Hyperfine couplings of point defects in semiconductors by hybrid density functional calculations: the role of core spin-polarization. (beküldve PRB-be)
Köszönöm a figyelmet!
Szász Krisztián
Ponthibák azonosítása
13/ 13
