Modeling of the structural, electronic and optical properties of GaN/AlN nitride nanowires

Modélisation des propriétés structurales, électroniques et optiques des nanofils de nitrures GaN/AlN

Dulce Carolina Camacho Mojica (1)

1 LSIM - Laboratory of Atomistic Simulation

We have modeled the structural and electronic properties of nitride GaN/AlN nanowire heterostructures with atomistic simulation methods. We have first derived a Keating-like valence force field model for arbitrary wurtzite materials in order to compute the atomic positions and strain distribution in these heterostructures. With this model, we have been able to suggest the presence or confirm the absence of dislocations in various GaN/AlN nanowire heterostructures characterized by electron microscopy or X-Ray diffraction. We have then studied the electronic and optical properties of these nanostructures with the tight-binding method. We have been particularly interested in the effect of the internal electric field on GaN/AlN nanowires. Optical spectroscopy experiments have indeed evidenced a strong redshift of the luminescence of these nanowires (quantum confined Stark effect), due to the separation of the electrons and holes by the pyro- and piezoelectric field. This redshift is however smaller than measured in quantum wells and quantum dots with similar dimensions. To explain this, we have shown that it is essential to account for the screening of the electric field by the charges displaced by the latter, in particular from the surface states of the nanowire. We have proposed a simple analytical model to understand the main trends and help the design of nitride nanowire heterostructures.

Nous avons modélisé les propriétés structurales et électroniques d'hétérostructures de nanofils de nitrures GaN/AlN à l'aide de méthodes de simulation atomistiques. Nous avons tout d'abord construit un champ de forces " à la Keating "' pour les matériaux wurtzite afin de calculer les positions atomiques et la distribution des contraintes dans ces hétérostructures. Grâce à ce modèle, nous avons pu suggérer la présence ou confirmer l'absence de dislocations dans différentes hétérostructures de nanofils GaN/AlN caractérisées expérimentalement par microscopie électronique et diffraction de rayons X. Nous avons ensuite étudié les propriétés électroniques et optiques de ces nanostructures avec la méthode des liaisons fortes. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'effet des champs électriques internes sur les nanofils GaN/AlN. Les expériences de spectroscopie optique ont en effet mis en évidence un important décalage vers le rouge (effet Stark confiné) des raies de luminescence de ces fils, consécutif à la séparation des électrons et des trous par les champs pyro- et piezoélectriques. Ce décalage est toutefois inférieur à celui mesuré sur des puits et des boîtes de dimensions équivalentes. Pour l'expliquer, nous avons montré qu'il était essentiel de tenir compte de l'écrantage du champ électrique par les charges déplacées par celui-ci, et en particulier depuis les états de surface des nanofils. Nous avons notamment proposé un modèle analytique simple pour comprendre les tendances et aider la conception des hétérostructures de nanofils de nitrures.

Mots clés: Nanowires; nitrides; spontaneous polarization; piezoelectricity; Stark effect; tight-binding

Mots clés: Nanofils; nitrures; polarisation spontanée; piezoélectricité; effet Stark; confinement; liaisons fortes

Domaines: Physique [physics]

Dulce Carolina Camacho Mojica. Modélisation des propriétés structurales, électroniques et optiques des nanofils de nitrures GaN/AlN. Physique [physics]. Université de Grenoble, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00595868⟩