Kuantum Noktalarının Elektrik ve Gerinim Alanları Etkisi Altında Modellenmesi ve Tasarımı

Abstract

Quantum dots are metalic and semiconductor nano materials having sizes between 2-50 nanometers. QDs have discrete energy levels and thus a well-defined band gap, which may be engineered by controlling their size, morphology, arrangement/density and material compositions. Stranski Krastanov (SK) growth mode leads to the formation of dislocation-free nanoislands, which are interconnected with a thin wetting layer. These unique properties make QDs promising candidates for designing novel electronic, photonic and magnetic devices, such as single electron transistors, lasers and solar cells, with improved performance and reliability. Experimental studies demonstrated that initial thickness of the film, crystallographic structure/orientation, diffusion and surface stiffness anisotropies, wetting contact angle, mismatch and residual stresses and the strength as well as direction of the applied external electric field are among the several parameters that affect the final morphology of nanoislands. Despite intense attention and extensive research on capillary-driven shape and microstructural evolution under various force fields, it continues to be a challenging theoretical problem in materials science. To be able to produce quantum dots with controlled morphology and self-assembly we need to understand their growth kinetics and morphology differentiation under various force fields in detail. This knowledge will allow us to control the morphology and thus the optoelectronic properties of produced QD nanostructures and lead us to develop novel fabrication techniques and design novel QD-based technologies. Experimental studies have shown that applied electric field has an effect on the QD formation and thus may be used to control structural and electronic properties of quantum dots together with residual and applied stresses. This technique is thought to be technologically more feasible in contrast to application of stress fields. In this thesis, formation, spontaneous evolution and stability of single quantum dots and quantum dot series in hetero-epitaxial systems under the simultaneous action of electric and strain fields has been studied for the first time. In this thesis, we numerically solved the the system of differential equations governing the evolution dynamics of QDs with realistic boundary conditions and finally carried out extensive simulations to reveal the interplay between the final equilibrium QD shapes and the material properties (crystal structure, surface energies, diffusion and surface stiffness anisotropies) and the applied external fields (electric and strain fields). Finally, based on the simulation results, we obtained the tendencies related to the equilibrium QD shapes for a given set of material properties and applied external force fields. The knowledge gained from these simulations will help us to control and design the QD nanostructures with optimum properties. Keywords: Quantum dots, Thin films, Diffusion, Anisotropic material properties, Computer simulation.

Kuantum noktalar (KN), 2-50 nm boyutlarında, metalik veya yarıiletken parçacıklardır. KN'lerde enerji düzeyleri kuantize olup, iyi tanımlanmış bant aralıkları bulunmaktadır ve bu enerji düzeyleri KN'lerin boyut, şekil belirli bir bölgedeki dizilim/yoğunluk ve malzeme kompozisyonu ayarlanarak kontrol edilebilmektedir. Stranski-Krastanov (SK) ince film büyütme metodu ile dislokasyon gibi kusurları içermeyen ve birbirlerine ince bir ıslatma katmanı ile bağlı KN'lerin üretimi yapılabilmektedir. Bu özellikleri nedeni ile, KN'ler fotovoltaikler, tek elektron transistörler, lazerler gibi elektronik, fotonik ve manyetik birçok yeni cihazın üretilmesi/geliştirilmesi için düşünülmekte ve denenmektedir. Deneysel çalışmalar, oluşan KN'lerin şekil ve büyüklerinde; başlangıç film kalınlığı, kristal yapı/yönelim, difüzyon, yüzey katılığındaki anizotropi, ıslatma katmanının özellikleri, denge ıslatma açısı, sistemde bulunan uyumsuzluk gerinimleri ve uygulanan elektrik alanın yönü/şiddeti gibi faktörlerin önemli etkilerinin olduğunu göstermektedir. Ancak, bu etkileri kullanarak elde edilecek KN'lerin özelliklerini kontrol etmemizi sağlayacak, eğriliğe sahip yüzey ve arayüzeylerin çeşitli kuvvet alanları altındaki morfolojik gelişimi/evrimi ile ilgili teorik modeller halen geliştirilmeye devam etmektedir. SK büyüme modu ile, kendi kendine organize olabilen (self-assembled) ve istenilen morfolojik özelliklere sahip KN'ler elde edebilmek için, farklı kuvvet alanları (elektrik alan ve gerinim alanları) altında KN çekirdeklenmesi, büyümesi ve morfoloji değişimleri hakkında detaylı bilimsel bilgi birikimine ihtiyaç vardır. Bu bilgilerin, nanoyapılı KN'lerin optoelektronik özelliklerinin hassas bir şekilde kontrol edilebilmesini sağlayarak, yeni KN fabrikasyon tekniklerinin geliştirilmesi ve yeni KN-tabanlı cihazların tasarlanmasının önünü açması beklenmektedir. KN'lerin yapısal ve elektronik özelliklerinin kontrol edilmesi için gerinim kuvvetlerine ek olarak önerilen bir diğer yöntem ise elektrik alan uygulanmasıdır. Bu tekniğin, teknolojik açıdan gerinim alanlarına göre daha kolay uygulanabileceği öngörülmektedir. Bu tez kapsamında kuantum nokta ve dizilerinin heteroepitaksiyel ortamlarda oluşum dinamikleri, taşınım kinetiği ve evrimi eş zamanlı gerinim ve elektrik alanları altında ilk kez modellenmiş ve simülasyonlar ile incelenmiştir. Bu çalışmada, öncelikle KN morfolojik evrimi ve ıslatma katmanının oluşumu yönetici diferansiyel denklemler ve gerçekçi sınır koşulları ile modellenmiş, bu denklemler sayısal çözümleme yöntemleri ile çözülmüş ve yapılan simülasyonlar sonucunda kristal yapı/yerleşim, difüzyon ve yüzey katılığının şiddeti ve anizotropisi, yüzey enerjileri gibi malzeme özellikleri ile uygulanan dışsal elektrik ve gerinim alanlarının etkileri eş zamanlı olarak incelenmiştir. Simülasyonlardan elde edilen veriler sonucunda, malzeme özelliklerine göre hangi dışsal kuvvet alanlarının uygulanması durumunda ne tür kararlı nanoyapılar elde edileceği hakkında bilgiler elde edilmiştir. Bu tez çalışması sonucunda elde edilen bilgilerin, istenilen kullanım alanları için gerekli optimum özelliklere sahip kuantum nokta nanoyapıların tasarımına yardımcı olması beklenmektedir. Anahtar Kelimeler: Kuantum noktalar, İnce filmler, Yayınım, Yönsel malzeme özellikleri, Bilgisayar simülasyonu.