Structural and electronic properties of monolayer and multilayer gallium nitride crystals

Abstract

Üç boyutlu (3B) galyum nitrür direkt band aralıklı bir III-V yarı iletkenidir. Bir çok olası optoelektronik uygulamasının yanında, ışık yayan diyod (LED) olarak da yaygın şekilde kullanılmaktadır. Bu çalışmada ilk olarak 3B wurtzite ve zincblende kristal yapılarındaki GaN'ün yapısal, mekanik, ve elektronik özellikleri gelişen yöntemlerle tekrar hesaplanarak literatürdeki diğer çalışmalarla karşılaştırıldı. Daha sonra, balpeteği örgüsüne sahip iki boyutlu (2B) tek atomik katmanlı GaN'ün (g-GaN) elektronik ve mekanik özellikleri yoğunluk fonksiyonel teori (YFT) kullanılarak incelendi. Buna ek olarak, yine YFT kullanılarak iki atomik katmanlı, üçatomik katmanlı, ve çok atomik katmanlı van der Waals yapıları incelendi. Fonon analizi ve yüksek sıcaklıkta ilk prensipler moleküler dinamik hesaplarıyla yapının kararlı oldugu ve yüksek sıcaklıklarda yapısını koruduğu gösterildi. Devamında fiziksel özelliklerin boyuta bağli olarak değişimi incelendi. 3B GaN direkt bant aralıklı bir yarı iletken olmasina karşılık, 2B GaN görece daha geniş ve indirekt bir bant aralğına sahiptir. Buna ek olarak 2B GaN daha yüksek Poisson katsayısına sahiptir ve katyondan anyona daha az yük geçişi sergilemektedir. g-GaN icin öngörülen özelliklerini, bu yapı metalik ya da yarı iletken bir alttaş üzerinde büyütüldüğü takdirde de koruyacağı gösterilmiştir. özel olarak, g-GaN büyütmek için 3B atomik katmanlı mavi fosforun uygun bir alttaş olacağı öngörülmüştür. Elektronik özelliklerin katman sayısına bağlı olarak kontrol edilebildiği, ve katman sayısı arttıkça bant aralığının azaldığı ve indirekt bant aralığından direkte geçildiği gösterilmiştir. Bu çalismanın nanoelektronik uygulamalarda geniş bir kullanım alanı olacağı düşünülen g-GaN'ın büyütülmesi yönünde yardımcı olması umulmaktadır.

Three-dimensional (3D) Gallium Nitride (GaN) is a III-V compound semiconductor with direct band gap. It is widely used in light emitting diodes (LED) and has potential to be used numerous optoelectronic applications. In this thesis, firstly 3D GaN in wurtzite and zincblende structures are revisited and structural, mechanical, and electronic properties are studied and compared with the literature. Next, the mechanical and electronic properties of two-dimensional (2D) single-layer honeycomb structure of GaN (g-GaN), its bilayer, trilayer and multilayer van der Waals solids are investigated using density functional theory. Based on phonon spectrum analysis and high temperature ab initio molecular dynamics calculations, first it is showed that g-GaN is stable and can preserve its geometry even at high temperatures. Then a comparative study is performed to reveal how the physical properties vary with dimensionality. While 3D GaN is a direct band gap semiconductor, g-GaN in 2D has relatively wider indirect band gap. Moreover, 2D g-GaN displays higher Poisson's ratio and slightly less charge transfer from cation to anion. It is also showed that the physical properties predicted for freestanding g-GaN are preserved when g-GaN is grown on metallic, as well as semiconducting substrates. In particular, 3D layered blue phosphorus being nearly lattice matched to g-GaN is found to be an excellent substrate for growing g-GaN. Bilayer, trilayer and van der Waals crystals can be constructed by special stacking sequence of g-GaN and they can display electronic properties which can be controlled by the number of g-GaN layers. In particular, their fundamental band gap decreases and changes from indirect to direct with increasing number of g-GaN layers. It is hoped that the present work will provide helpful insights for growing g-GaN which can be widely used in nanoelectronics applications in low dimensions.