Modeling of the atomic structure and electronic properties of highly mismatched Amorphous GaNAs alloys

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı amorf GaNAs alaşımlarının atomik ve elektronik özelliklerinin davranışını modellemek ve araştırmaktır. Bu amaç doğrultu-sunda moleküler dinamik simulasyonları ve sürekli rastgele örgü modeli kullanılarak yapısal modeller oluşturduk. Bu oluşturulan modellerin atom pozisyonlarındaki yapı gerilimi yoğunluk alan fonksiyonu ile azaltıldı. Örgü topoloji analizleri kısmi-çift korelasyon fonksiyonları, bağ açı dağılımları, zincir istatistikleri ve ortalama komşuluk sayıları incelenerek elde edildi. Amorf GaNAs alaşılarının elektronik özellikleri ise elektron durum yoğunlukları ve ters katılım oranları hesaplanarak belirlendi. Daha sonra bu modellerin yapısal ve elektronik özellikleri bant çakışmama modeli ve deney sonuçları ile karşılaştırıldı. Deney sonuçları ile uyumlu net bir bant aralığının güvenilir sürekli rastgele örgü modeli kullanılarak ve ayrıca diğer modellere göre daha ekonomik hesaplama zamanı ile elde edilebileceği gösterildi. Ayrıca kullanılan modelin amorf malzemeler için temel prensip hesapları ile ulaşılabilecek minimum enerji konfigurasyonuna yakın ideal bir temel yapı sağlayabildiğini doğruladık. Elektron durum yoğunlukları ve ters katılım oran hesapları ile elde edilen amorf GaNAs bant aralıklarının deney ve bant çakışmama modeli ile uyumlu olduğu ispatlandı.

A dramatic restructuring of the electronic bands of GaNAs alloys which can provide an almost perfect fit to the solar spectrum makes this material uniqe. Additionally, the amorphous nature of this alloy offers the opportunity to design low-cost, high efficient multijunction solar cells using a single ternary alloy system. However, the electronic properties of this material cannot be explained by the the theoretical models like virtual crystal approximation or forced quadratic fitting using a single bowing parameter.The aim of this thesis work is to model and investigate the properties of atomic and electronic behaviours of amorphous GaNAs alloys. For this goal, we have constructed structural models via molecular-dynamics simulations and continuous random network (CRN) methods. The nuclear positions were fully relaxed for all these generated models using density functional theory calculations. The analysis of network topology has been achieved by examining partial-pair correlation functions, bond angle distributions, ring statistics and average coordination numbers. The electronic properties of a-GaNAs alloys have been estimated by means of electronic density states and inverse participation ratios (IPR). We then compared their structural and electronic properties with band anti-crossing (BAC) model and experiments. We have shown that a clear band gap which is similar to the experimental results could be obtained by CRN model which is at the same time computationally less expensive and reliable in comparison to other methods. The study of EDOS and IPR also proves that the obtained band gap are in good agreement with the experimental results and BAC model.