Yön bağımlı yüzey özelliklerinin etkisi altında heteroepitaksiyel gerginliğe sahip kuantum noktaların oluşumunun bilgisayar modellemesi

Abstract

Kuantum Noktalar (KN) boyutları 2-20 nanometre arasında değişen metalik veya yarıiletken parçacıklardır. KN'lerde, boyutların nano ölçekte olması sonucu, ayrık enerji spektrumları oluşur. Bu enerji spektrumu, KN'lerin kompozisyonuna, yoğunluğuna, boyutuna, morfolojisine ve kristal uyumsuzluğundan kaynaklanan gerinimlere bağlı olarak geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Bu özelliklere ek olarak, yeni ince film büyütme teknikleri (Stranski-Krastanow) ile KN'ler dislokasyon gibi kusurları içermeden üretilebilmektedirler. Bu teknik, aynı zamanda KN'lerin ince bir ıslatma katmanı ile birbirine bağlanmasını ve dolayısıyla oluşturulan foto-elektronların bu katman aracılığı ile taşınabilmesini sağlamaktadır. Tüm bu özellikleri KN'leri özgün elektronik, manyetik ve fotonik cihazların üretimi konusunda çok önemli ve dikkat çeken nanomalzemeler haline getirmiştir. Malzemelerin elektrostatik ve termomekanik kuvvetler altında zamanla bozunumu teknolojik gelişimin hızını belirleyen en önemli etkendir. Bu çalışmada, anizotropik malzeme özelliklerinin (kristal düzlem yönü, yüzey Gibbs serbest enerjisi, difüzyon) ve gerinim gevşemesinin KN'lerin morfolojik evrilmesine ve ıslatma katmanı oluşumuna etkisi incelenmiştir. Çalışma sabit alt tabaka üzerinde bulunan ve katı malzemeden oluşan damlacığın kendiliğinden evrilmesinin sürekli ortam dinamiği simülasyonları ile incelenmesine dayanmaktadır. Bu çalışmada, yüzey kristali ve yönelimi gerilim altında değişik kombinasyonlarda incelenmiştir. Simülasyonlar sonucunda, izole adacıkların oluşması için belirli bir gerilim değeri olduğu ve bu değerin üstüne çıkıldığında adacık oluşumu gözlenmiştir. Ayrıca yüksek gerilim değerlerinde, ince bir ıslatma katmanı ile birbirine bağlı Stranski-Krastanow tipi adalar oluştuğu gözlemlenmiştir. Bunun yanı sıra, depozit edilen filmin kristalografik yöneliminin kontrol edilmesi ile, kubbe tipinden piramit tipi nano yapılara kadar farklı şekil ve boyutlarda kuantum noktaların oluşturulabileceği gösterilmiştir.

Quantum dots (QDs) are metallic or semiconductor nanocrystals that can be as small as 2 to 20 nm. Quantum dots have discrete energy levels that can be engineered by tuning their composition, density, size, morphology and misfit strain. In addition to these properties, it is possible to produce dislocation-free QDs, interconnected with a thin flat wetting layer, by using modern thin film growth techniques (Stranski-Krastanow) and thus photogenerated electrons/holes can be transferred and harvested through the wetting layer. These features make quantum dots attractive for the design and fabrication of novel electronic, magnetic and photonic devices. Failure of materials under electrostatic and thermo kinetic forces is a key factor which controls the technological growth rate. In this work, the effect of anisotropic material properties (crystal plane orientation, surface Gibbs free energy, diffusion) and strain relaxation to morphological evolution of QDs was studied. We based our study on continuum level dynamical simulations for the spontaneous evolution of an isolated thin solid droplet on a rigid substrate. Different combinations of surface crystal and its orientations were studied. The simulations showed that there is a threshold value for the stress level under which the formation of isolated islands observed; whereas at higher stress levels we observed the formation of SK-type islands connected with a very thin wetting layer. Besides, by controlling the crystallographic orientation of the deposited crystal, it is possible to control the shape and size of QDs.