Transiciones de Fase Inducidas por Presión en los Compuestos GaN, InN y AlN

Ciencia en Desarrollo, Vol. 8 No. 1 ISSN 0121-7488 – Enero-Junio de 2017, pp. 145-160 Transiciones de Fase Inducidas por Presión en los Compuestos GaN, InN y AlN Phase Transitions Induced by Pressure in the Compounds GaN, InN and AlN Tatiana Sofia Miranda Saenz a Diego Alejandro Rasero Causil b* César Ortega López c Recepción: 17 de marzo de 2016 Aceptación: 30 de diciembre de 2016 Resumen Realizamos un estudio de las transiciones de fase estructurales de los nitruros III-V GaN, InN y AlN empleando el método de ondas planas aumentadas y linealizadas en la formulación de potencial completo (FP: LAPW) dentro del marco de la teoría del funcional de la densidad (DFT). Para el potencial de correlación-intercambio se utilizó la aproximación de gradiente generalizado (GGA) con la parametrización de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Reportamos valores de los parámetros de red a, c/a y u, volumen, energía y módulo de volumen, presiones de transición y cambio de volumen en las transiciones de fase wurtzita–rocksalt (WZ–RS) y wurtzita–zincblenda (WZ–ZB). Nuestros resultados muestran un buen acuerdo con otros reportes experimentales y teóricos e indican que la fase más estable es la WZ siguiéndole la ZB y RS, y que las transiciones de fase estudiadas corresponden a transiciones de fase de primer orden. Palabras clave: Transiciones de fase, nitruros III-V, Teoría del funcional densidad, Aproximación de gradiente generalizado, presión de transición, Zincblenda, Wurtzita, Rocksalt. Abstract We study the structural phase transitions of nitrides III-V GaN, InN and AlN using the method of augmented plane waves and linearized in developing full potential (FP: LAPW) within the framework of functional theory of density (DFT). For the potential correlation-exchange the generalized gradient approximation (GGA) it was used with the parameterization of Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). We reported values of the network parameters a, c/a and u, volume, energy and bulk modulus, transition pressures and volume change in wurtzite phase transitions–rocksalt (WZ–RS) and wurtzite–zincblende (WZ–ZB). Our results show good agreement with other experimental and theoretical reports and indicate that the most stable phase is the WZ following him ZB and RS, and phase transitions studied correspond to phase transitions of the first order. Keywords: Phase Transitions, nitruros III-V, Density functional theory, Generalized gradient approximation, Transition Pressure, Zincblende, Wurtzite, Rocksalt. a Físico, Departamento de Física y Electrónica, Universidad de Córdoba, Montería, Córdoba-Colombia. Correo electrónico: b Magister en Ciencias Físicas, Departamento de Ciencias Naturales, Programa de Física, Universidad Surcolombiana, Neiva, Huila-Colombia. * Autor de correspondencia: c Doctor en Ciencias Físicas, Departamento de Física y Electrónica, Universidad de Córdoba, Montería, Córdoba-Colombia. Correo electrónico: 145 Tatiana Sofía Miranda Saenz et al. 1. Introducción La familia de nitruros III-V ha recibido especial atención en años recientes y en la actualidad está siendo objeto de estudio debido a sus amplias prospectivas de aplicación en dispositivos semiconductores en las regiones de longitudes de onda azul y ultravioleta. Los nitruros GaN, AlN y InN presentan tres tipos de estructura: wurtzita (WZ), zincblenda (ZB) y rocksalt (RS). Experimental y teóricamente se encuentra que la fase WZ es la estructura cristalina más estable de estos compuestos [1–13]. Pueden ser utilizados en dispositivos ópticos que activen los rangos de longitudes de onda desde el rojo hasta el ultravioleta, y para transistores que funcionen a altas temperaturas [12, 14–18]. El AlN se caracteriza por su alto punto de fusión, alta conductividad térmica y gran módulo de volumen [19]. Presenta una brecha de energía prohibida bastante grande, 6.2 eV [20], y así, es uno de los materiales más adecuado para construir dispositivos que trabajen en la región del violeta [21]. En volumen, la forma más estable es la fase WZ. Sin embargo, se ha reportado que puede crecer en fase ZB [18, 22, 23]. La brecha de energía prohibida de la fase WZ es directa y la de la fase ZB es indirecta. Esto puede ser útil en la construcción de diferentes clases de puntos cuánticos o superrredes [21]. De igual forma, el GaN es un material altamente atractivo debido a su gran potencial para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos en el rango de longitudes de onda corta, laseres semiconductores y detectores ópticos [15, 24]. Existe un amplio interés en el GaN hexagonal por su aplicación en LED’s azules [25], diodos laser [26] y fotodetectores ultravioletas [27]. Debido a su notable estabilidad térmica y química, también es conveniente para su aplicación en ambientes extremos tales como altas temperaturas [28]. Las propiedades de transporte y velocidad de deriva extremadamente altas sugieren al InN como un material promisorio para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos de alta velocidad o alta frecuencia [13]. A pesar de las diferentes investigaciones experimentales y teóricas, existen discrepancias en las presiones de transición reportadas debido a las diversas aproximaciones y métodos computacionales usados, a la sensibilidad de las técnicas experimentales y la naturaleza de las muestras. En este trabajo se utiliza la teoría de funcionales de la densidad, tal como está implementada en el paque- te computacional Wien2k [29], para determinar las propiedades estructurales y las presiones a las cuales ocurren transiciones de fase estructurales WZ-RS y ZB-RS en los nitruros GaN, AlN y InN. El trabajo está organizado de la siguiente manera, en la Sección II se describen las estructuras cristalinas consideradas. Los detalles computacionales se muestran en la sección III. En la Sección IV se muestran los resultados obtenidos, y finalmente, en la Sección V se presentan las conclusiones. 2. Estructuras Cristalinas En esta sección se describen las estructuras cristalinas WZ, ZB y RS, consideradas para estudiar las propiedades estructurales y las transiciones de fase de los compuestos GaN, InN y AlN (ver Figura 1). La estructura WZ pertenece al sistema hexagonal Figura 1. Estructura cristalina (a) wurtzita, (b) zincblenda y (c) rocksalt. con grupo espacial 186-P63 mc. Puede ser descrita por dos parámetros estructurales: a, que corresponde a la longitud de la base de la celda, y c/a que corresponde a la razón entre la altura de la celda, c, y el parámetro a. En el caso ideal c/a =1.633. Además, presenta un parámetro interno adimensional, u, que indica la distancia entre un plano de átomos de Ga (In o Al) y el plano más cercano de átomos de N, en unidades de c. Por definición u= distancia Ga(In o Al)–N altura de la celda En el caso ideal u =0.357. La celda unitaria contiene cuatro átomos, dos de cada especie, ubicados en las posiciones: Ga (In o Al): ( 23 , 13 , 0); ( 13 , 23 , 12 ); N: ( 23 , 13 , u); ( 13 , 23 , 12 + u). La estructura ZB pertenece al (...truncated)