Estudio por primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la multicapa CrN/GaN

Ingeniería y Ciencia ISSN:1794-9165 ISSN-e: 2256-4314 ing. cienc., vol. 9, no. 17, pp. 163–174, enero-junio. 2013. http://www.eafit.edu.co/ingciencia This a open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. Estudio por primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la multicapa CrN/GaN Ricardo Eulises Báez Cruz 1 , César Ortega López 2 y Miguel J. Espitia R. 3 Recepción: 6-oct-2012, Aceptación: 31-ene-2013 Disponible en línea: 22-03-2013 PACS: 71.15.Mb, 71.15.Nc, 71.20.Nr Resumen En este trabajo realizamos cálculos de primeros principios para investigar las propiedades estructurales y electrónicas de la multicapa 1x1 CrN/GaN. Los cálculos se realizan en las fases zincblenda y wurtzita, debido a que este es el estado base del nitruro de cromo CrN y el nitruro de galio GaN, respectivamente. Sin embargo, se estudia la estabilidad de la multicapa en la fase NaCl, con el fin predecir posibles transiciones de fase. Encontramos que la fase más favorable para multicapa, es la hexagonal tipo wurtzita, con posibilidad de pasar a la fase NaCl mediante la aplicación de una presión externa. Nuestros cálculos nos permiten predecir que la presión de transición es ∼ 13,5 GPa. A partir de la densidad de estados encontramos que la multicapa posee un comportamiento metálico debido a la hibridación de los orbitales Cr-d y N-p que atraviesan el nivel de Fermi. 1 Licenciado en Física, dfi, Universidad Pedagogica Nacional Bogota, Colombia. 2 Ph.D. en Física, , Universidad de Córdoba, Montería, Colombia. 3 Ph.D. (C) en Física, , Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia. Universidad EAFIT 163| Estudio por primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la multicapa nitruro de cromo/nitruro de galio (CrN/GaN) Palabras clave: Multicapa 1x1 CrN/GaN, DFT, propiedades estructurales, propiedades electrónicas. Aspectos relevantes • Este es un estudio teórico detallado de la multicapa CrN/GaN . • Se utiliza la teoría del funcional de la densidad. • Se calculan las propiedades estructurales y electrónicas. • Se encontró que la multicapa presenta propiedades magnéticas y comportamiento metálico First-Principles Study of Structural and Electronic Properties of Chromium Nitride/Gallium Nitride Multilayer (CrN/GaN) Abstract In this work we perform first-principles calculations to investigate the structural and electronic properties of the 1x1 CrN/GaN multilayer. The calculations were executed in zincblende and wurtzite phase, since they are the ground states of chromium nitride CrN and gallium nitride GaN, respectively. However, we study the stability of the multilayer in the NaCl phase, in order to predict possible phase transitions. We found that the most favorable phase for the multilayer is the hexagonal wurtzite type, with possibility of passing to the NaCl phase by applying an external pressure. Our calculations indicate that the pressure of transition is ∼ 13,5 GPa. From the density of states, we found that the multilayer present a metallic behavior produced by the hybrid orbitals d-Cr and N-p that cross level Fermi. Key words: 1x1 CrN/GaN multilayer, DFT, structural properties, electronic properties. 1 Introducción Los nitruros de metales de transición como el CrN han sido ampliamente estudiado teórica y experimentalmente, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, físicas y químicas, tales como: alta dureza, elevado punto de fusión, alta resistencia al desgaste, a la corrosión y a la oxidación [1], [2], [3]. Se ha encontrado que nitruro de cromo CrN tiene un comportamiento metálico y que bajo condiciones normales de crecimiento cristalizan en la fase zincblenda [1], [4], [5], mientras que el nitruro de galio GaN es un semiconductor que cristaliza normalmente en wurtzita [6], [7]. Por otro lado, Vijay Rawat and Timothy Sands [8], |164 Ingeniería y Ciencia Ricardo Eulises Báez Cruz, César Ortega López y Miguel J. Espitia R. [9] demostraron que es posible crecer multicapas de nitruros de metales de transición y nitruro de galio GaN, dado que, a pesar de la diferencia en la estructura cristalina NaCl del nitruro de titanio TiN y wurtzita del GaN crecieron multicapas de TiN/GaN usando la técnica Reactive Pulsed Laser Deposition (PLD). El estudio de las multicapas basadas en nitruros de metales de transición y nitruro de galio GaN es de gran importancia actual, puesto que la combinación de las propiedades de los nitruros de mestales de transición, como el CrN, junto con el carácter semiconductor del GaN, le abren a las multicapas CrN/GaN un amplio espectro de aplicaciones, como por ejemplo: ser utilizadas en dispositivos de altas temperaturas, altas potencias, como recubrimientos duros y como un contacto metal/semiconductor, entre otras. Dada La posibilidad experimental de crecer multicapas de mestales de transición con el semiconductor nitruro de Galio GaN y el gran número de posibles aplicaciones de la multicapa CrN/GaN, es importante realizar estudios teóricos que brinden información sobre la estabilidad estructural, las propiedades estructurales y electrónicas de ésta multicapa. Por esta razón, en este trabajo estudiamos en el marco de la teoría del funcional de la densidad DFT, las propiedades estructurales y electrónica de la multicapa 1x1 CrN/GaN. En particular, estamos interesados en determinar la estabilidad relativa de la multicapa CrN/GaN, inicialmente estudiamos la estabilidad de la multicapa en las fases zincblenda y wurtzita debido a que este es el estado base de los compuestos binarios CrN y GaN, respectivamente. Adicionalmente, estudiamos la estabilidad de la multicapa en la fase NaCl. Encontramos que la fase más favorable para la multicapa es la modelada en la estructura wurtzita. A 13,5 GPa, nuestros cálculos predicen la posibilidad de una transición de fase de la estructura wurtzita a la estructura NaCl. 2 Detalles de Cálculo Los cálculos se realizan dentro del marco de la Teoría del Funcional Densidad (DFT) y usando Ondas Planas Aumentadas y linealizadasPotencial Completo (FP-LAPW) implementado en el paquete WIEN2k [10]. Los efectos de correlación e intercambio de los electrones se tratan ing.cienc., vol. 9, no. 17, pp. 163–174, enero-junio. 2013. 165| Estudio por primeros principios de las propiedades estructurales y electrónicas de la multicapa nitruro de cromo/nitruro de galio (CrN/GaN) usando la aproximación de Gradiente Generalizado (GGA) de Perdew, Burke y Ernzerhof (PBE) [11]. En el método LAPW la celda se divide en dos tipos de regiones, las esferas atómicas centradas en los sitios nucleares y la región intersticial entre las esferas no superpuestas. Dentro de las esferas atómicas las funciones de ondas se reemplazan por funciones atómicas, mientras que en la región intersticial, la función se expande en ondas planas. La densidad de carga y los potenciales se expanden en armónicos esféricos hasta lmax = 10 dentro de las esferas atómicas y la (...truncated)