Carrier dynamics in silicon and germanium nanocrystals
Silisyum ve germanyum nanoörgülerde tasıyıcı dinamiği
- Tez No: 177205
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. CEYHUN BULUTAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2008
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Bölümü
- Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 111
Özet
NÖ matrisleri hakkındaki temel ilkeler hesaplamalarına dayanarak, Si ve Ge Nö'lerdeki elektronışıması için oldukça önemli olan iki yüksek elektrik alan olgusu incelenmiştir. Bu olgular, SiO2 matrisi içerisinde yüksek enerjili yük taşınımı ve NÖ içinde elektron-deşik çiftlerinin oluşumunda rolü olan kuvantum tuzaklı darbe iyonizasyonudur (KTDI). İlk olarak, temel ilkeler yöntemiyle hesaplanmış durum yoğunluklarının geçerliliğini ve yararlılığını test etmek amacı ile SiO2 yüksek enerjili taşıyıcı taşınımı 12 MV/cm elektrik alan değerine kadar Toplu Monte Carlo yöntemi ile tetkik edilmiştir. Daha sonra, yığık SiO2 içerisindeki yüksek enerjili taşıyıcılar tarafından tetiklenen NÖ darbe iyonizasyonunun teorik bir modellemesi ele alınmıştır. Neticede, NÖ içerisinde KTDI oranını yüksek enerjili taşıyıcıların enerjisinin bir fonksiyonu olarak veren orjinal bir ifade türetilmiştir.Daha sonra, geniş-bant aralıklı yarıiletkenler içerisine gömülü, birkaç bin atomdan oluşan, Si ve Ge NÖ'lerin elektronik yapısı atomistik görünürpotansiyel yöntemi ile çalışılmıstır. NÖ çapının fonksiyonu olarak hesaplanmış etkin bant aralığı değerlerinin mevcut deneysel ve teorik sonuçlar ile oldukça uyumlu olduğu görülmüştür. Elektronik yapının radyasyonlu ışıma üzerindeki etkisini belirlemekamacı ile direk foton yayma oranları hesaplanmış ve hem Si hem de Ge için mevcut temel ilkeler veriler ile son derece benzer sonuçlar elde edilmiştir.NÖ'nün çekirdek bölgesi ile matris arasındaki arayüzün gerçekçi bir şekilde modellenmesi, yarıçapa göre neredeyse yeknesak artan ve deney ile hemen hemen uyumlu sonuçlar elde etmemizi sağlamıştır. Ayrıca, Si NÖ'ler için yarıçapa göre Auger geribirleşimi yaşam süresi'nin, yığık Örgü Auger sabitini 1.0E-30 cm6 s-1 alarak basit bir şekilde elde edilebileceği gÖsterilmiş ve Ge için bu değer 1.5E-30 cm6 s-1 olarak saptanmıştır. NÖ bant aralığından iki kat fazla optik aydınlatma altında, elektronların uyarma enerjisinin arslan payını alarak iletkenlik bandına geçtiği saptanmış ve bu elektronların tetiklediği taşıyıcı katlanması yaşam sürelerinin hesaplanması sonucunda, bu iki NÖ'nun fotovoltaik uygulamalarda verimliliği arttırma amaçlı kullanımının çok uygun olduğu gözlenmiştir. Son olarak, uyarılma enerjisinin eşik değerinin yanlızca 1 eV üzerinde TK oranının oldukça yükseldiği ve yaşam süresinin birkaç- picosaniye değerlerine kadar gerilediği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
This is a computational work on the Si and Ge nanocrystals (NCs) embedded in wide band gap host matrices. As the initial task, xtensive ab initio work on the structural and electronic properties of various NC host matrices, namely, SiO2, GeO2, Si3N4, and Al2O3 are preformed. The structural parameters, elastic constants, static and optical dielectric constants are obtained in close agreement with the available results. Furthermore, recently reported high density cubic phase of SiO2 together with GeO2 and SnO2 are studied and their stable highdielectric constant alloys are identified.Based on the ab initio study of host matrices two related high field phenomena vital especially for the electroluminescence in Si and Ge NCs, are examined. These are the hot carrier transport through the SiO2 matrix and the subsequent quantum-confined impact ionization (QCII) process which is responsible for the creation of electron-hole pairs within the NCs. First, the utility and the validity of the ab initio density of states results are demonstrated by studying the high field carrier transport in bulk SiO2 up to fields of 12 MV/cm using the ensemble Monte Carlo technique. Next, a theoretical modeling of the impact ionization of NCs due to hot carriers of the bulk SiO2 matrix is undertaken. An original expression governing the QCII probability as a function of the energy of the hot carriers is derived.Next, using an atomistic pseudopotential approach the electronic structures for embedded Si and Ge NCs in wide band-gap matrices containing several thousand atoms are employed. Effective band-gap values as a function of NC diameter reproduce very well the available experimental and theoretical data. To further check the validity of the electronic structure on radiative processes, direct photonemission rates are computed. The results for Si and Ge NCs as a function of diameter are in excellent agreement with the available ab initio calculations for small NCs.In the final part, non-radiative channels, the Auger recombination (AR) and carrier multiplication (CM) in Si and Ge NCs are investigated again based on the atomistic pseudopotential Hamiltonian. The excited electron and excited hole type AR and CM and biexciton type AR lifetimes are calculated for different sized and shaped NCs embedded in SiO2 and Al2O3. Asphericity is also observed to increase the AR and CM rates. An almost monotonous size-scaling and satisfactory agreement with experiment for AR lifetime is obtained considering a realistic interface region between the NC core and the host matrix. It is further shown that the size-scaling of AR can simply be described by slightly decreasing the established bulk Auger constant for Si to 1.0×10?30cm6s?1. The same value for germanium is extracted as 1.5×10?30cm6s?1 which is very close to the established bulk value. It is further shown that both Si and Ge NCs are ideal for photovoltaic efficiency improvement via CM due to the fact that under an optical excitation exceeding twice the band gap energy, the electrons gain lion?s share from the total excess energy and can cause a CM. Finally, the electron-initiated CM is predicted to be enhanced by couple orders of magnitude with a 1 eV of excess energy beyond the CM threshold leading to subpicosecond CM lifetimes.Bu çalışma, Si ve Ge nanoörgülerin (Nö?lerin) sayısal hesaplamaları hakkındadır. Başlangıç olarak SiO2, GeO2, Si3N4, Ge3N4 ve Al3O3 gibi Nö matrislerinin elektronik ve yapısal özellikleri temel prensipler yöntemiyle incelenmiştir. Bunun sonucunda, yapısal özellikler, elastik sabitler, statik ve optik dielektrik sabitler için mevcut çalışmalar ile oldukça uyumlu değerler elde edilmiştir. Ayrıca, SiO2?nun henüz yayımlanmış yüksek yoğunluklu kübik fazı GeO2 ve SnO2 da ele alınarak calışılmış ve bu malzemelerin yüksek dielektrik sabitli durağan alaşım formları elde edilmiştir.
Benzer Tezler
- Low dimensional structures for electrical and optical applications
Düşük boyutlu yapıların elektrik ve optik uygulamaları
İMRAN AKÇA
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATİLLA AYDINLI
- Kuvars tüplü katı parçacıklı güneş alıcısı için hesaplamalı akış dinamiği analizi
Computational fluid dynamics analysis for a quartz tube solid particle solar receiver
MEHMET BÖLÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM ŞENTÜRK LÜLE
- Novel cochlear electrode array development using microfabrication techniques
Mikrofabrikasyon teknikleri kullanılarak yenilikçi koklear elektrot dizini geliştirilmesi
GÜLÇİN ŞEFİYE AŞKIN
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiNanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER
- Kontrollü aktif molekül salımı yapan pektin temelli hidrojellerin geliştirilmesi
Developing pektin-based hydrogels with controlled delivery of active molecules
AYŞE BANU KOCAAĞA
Doktora
Türkçe
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE ÖZGE KÜRKÇÜOĞLU LEVİTAS
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER