Strukturní ladění zakázaného pásma v nanostrukturovaných diamantech

Abstract

Široká škála extrémnych vlastností diamantu robí na ňom založené materiály ideálnymi na výrobu nanorozmerných zariadení so širokou aplikovateľnosťou v nanofotonike, optomechanike, fotovoltaike a elektronike. Pre takéto aplikácie je kľúčové pochopiť ako ladiť šírku a charakter zakázaného pásu. V tejto práci sa na to snažíme prísť pomocou kvantovo-mechanických simulácií. V práci ukazujeme, že šírka zakázaného pásu je určená špecifickou lokálnou distribúciou náboja v prostredí okolo dopantu. S cieľom navrhnutia konkrétnej šírky zakázaného pásu navrhujeme ako vybrať vhodný atom dopantu, jeho koncentráciu a ako zaťažiť štruktúru axiálnym napätím. Okrem toho navrhujeme rôzne spôsoby pôsobenia na parametre mriežky s cieľom zmeniť charakter zakázaného pásu. Vďaka všeobecnosti uplatneného výskumného protokolu môžu byť prezentované výsledky použité na štúdium optických a elektronických vlastností akéhokoľvek materiálu bez ohľadu na chemickú kompozíciu alebo usporiadanie atómov.

The wide range of extreme properties of diamond are making diamond-based materials ideal to build nanoengineered devices with wide applicability in nanophotonic, optomechanics, photovoltaics and electronics. In such applications, it is crucial to understand how to tune the width and the character of the band gap. In the present work, this task is tackled by means of quantum mechanical simulations. We show that the width of the band gap is determined by the specific local charge distributions in the ion environment around the dopant; in order to control it, we propose how to select suitable dopant atomic types, their concentration and how to impose convenient axial strains on the structure. Moreover, we suggest different ways of acting on the lattice parameters with the aim of changing the character of the band gap. Due to the generality of our investigation protocol, the presented outcomes can be used to study optical and electronic properties of any material irrespective of its chemical composition or atomic arrangement.