Instytut Wysokich Ciśnień

Naukowcy z naszego Instytutu wykorzystali zaawansowane symulacje ab initio, aby zbadać naturę wiązań atomowych się w kluczowych materiałach półprzewodnikowych, takich jak BN, AlN, GaN, InN i grafen. Ustalono, że pasmo walencyjne GaN jest podzielone na dwa oddzielne podpasma. Górne podpasmo GaN składa się z orbitali galu sp i azotu p, a dolne z orbitali metalu d i azotu s. Całki przekrycia pozwoliły określić porządek wiązań w tetraedrycznie skoordynowanych półprzewodnikach. Wyniki wskazują na to, że wiązanie występuje między rezonansowymi stanami p azotu i orbitalami metalu z hybrydyzacją sp³ w tetraedrycznych azotkach, co pozwala na zachowanie symetrii tetraedrycznej. Podobny mechanizm wiązania rezonansowego obserwuje się w heksagonalnym BN, gdzie orbitale p azotu tworzą trzy stany rezonansowe niezbędne do utrzymania symetrii planarnej sieci. Wiązanie BN różni się od wiązania w grafenie, gdzie stany węgla są w pełni zhybrydyzowane sp². Ponadto wiązania typu π w grafenie nie mają wkładu jonowego, co prowadzi do powstawania stanów Diraca o dyspersji liniowej w pobliżu punktu K, zamykając przerwę energetyczną.

Zrozumienie tych niuansów mechanizmów wiązania atomów w kryształach pozwala na zbudowanie pełniejszego obrazu zachowania się tych półprzewodników i materiałów 2D i może bezpośrednio wpłynąć na projektowanie urządzeń optoelektronicznych nowej generacji.

Publikacja jest dostępna w otwartym dostępie: Ab Initio Elucidation of the Nature of the Bonding of Tetrahedral Nitrides (BN, AlN, GaN, and InN), Hexagonal BN, and Graphene by Paweł Strąk, Konrad Sakowski, Pawel Kempisty, Izabella Grzegory, Agata Kaminska, Stanislaw Krukowski. Materials 2025, 18, 2875.

Rysunek: Właściwości elektronowe azotku galu (GaN). Panele przedstawiają, od lewej: diagram pasmowy, rzutowaną gęstość stanów (PDOS) atomów Ga (po lewej) i N (po prawej).