Tính toán bề rộng vùng cấm của các nguyên tố tương tự điện tử - hạt nhân của Ge

4. Phương pháp nghiên cứu

1.6. Tính toán bề rộng vùng cấm của các nguyên tố tương tự điện tử - hạt nhân của Ge

V.M.Goldsmidst, vào thời của mình đã quan tâm đến việc đồng nhất các tính chất của các tương tự điện tử, trong đó lại không phân biệt tương tự điện tử và các tương tự điện tử - hạt nhân và điều đó có thể xem như là một thiếu xót. Chúng ta sẽ gọi các tương tự điện tử là các đơn chất, hợp chất hoá học có ô mạng cơ sở đồng nhất về cấu trúc và có cùng số điện tử hoá trị. Các đơn chất Si, Ge, Thiếc- là các tương tự điện tử với cấu trúc kiểu Kim cương.

Các tương tự điện tử hạt nhân chúng ta quy ước là các đơn chất và các hợp chất hoá học có ô mạng cơ sở đồng cấu trúc và có cùng tổng điện tích hạt nhân của hai nguyên tử thành phần. Khái niệm về ô cơ sở đồng cấu trúc đƣợc hiểu là các ô cùng một kiểu, ví dụ ô cơ sở Kim cương, hay ô cơ sở của 2 hay nhiều tinh thể khác nhau nhƣng có cùng vị trí của các nguyên tử trong ô mạng, ví dụ trong trường hợp kiểu Kim cương và Sphalerit, xem sơ đồ (hình 5).

Thảo luận về bề rộng vùng cấm của các nguyên tử tương tự Ge(Z=64), nếu như các nguyên tố hình thành nên tương tự điện tử - lỗ trống nằm trong

Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội 2

32

cùng một chu kỳ nhƣ là chu kỳ của chất ban đầu thì các chất này đƣợc gọi là tương tự ngang, ví dụ tương tự ngang của Ge là Selenid kẽm (SeZn) có tổng Z bằng 64 (Z 303464) và AsGa (Z 313364), Nếu các nguyên tố tạo thành các tương tự điện tử - hạt nhân nằm trong bảng hệ thống tuần hoàn theo đường chéo tính từ nguyên tố đầu tiên thì tương tự được gọi là tương tự chéo, ví dụ AlSb (\) và InP (/), nếu nhƣ các hợp chất đƣợc hình thành bởi các nguyên tố nằm trong nhóm này trong bảng hệ thống tuần hoàn và các chất ban đầu là Si, Sn thì các tương tự này được gọi là tương tự dọc, có nghĩa là với các tương tự điện tử thì ở đây chúng ta chỉ quan tâm tới tương tự điện tử - hạt nhân. Trên thực tế chúng ta có hai nguyên tử cặp đôi mà mỗi nguyên tử có cùng điện tử ở lớp ngoài cùng, ví dụ trong trường hợp các tương tự điện tử - hạt nhân Ge (Z=64). So sánh các tương tự điện tử - hạt nhân Ge trước hết chúng ta khẳng định đƣợc rằng ở cùng một năng lƣợng nguyên tử hoá hay cùng một năng lƣợng suất bề mặt thì bề rộng của vùng cấm của các hợp chất vào cỡ  53 1,2 1,85 lần lớn hơn,còn ở các hợp chất A BII VI vào cỡ  62 1,2 3, 72

lần lớn hơn so với các chất của dãy A AIV IV và trong trường hợp này là GeGe.

Một kết luận thú vị nữa ở tương tự chéo (\), ví dụ AlSb thì “kation” nhỏ

Alpphân cực mạnh hơn “anion” lớn Sbp, với các iôn ở tương tự chéo (/) ví dụ InP (ở đó “kation”lớn Inp không thể thực hiện phân cực đáng kể).Trong trường hợp AlSb bởi phân cực mạnh các anion mà các “đám mây điện tử”

buộc phải kéo dãn ra về phía các “kation” vì thế các liên kết này trở thành các liên kết cộng hoá trị hơn. Các tương tự có cùng số tổng nguyên tử và có cùng tỷ số A

B

V V

 

 

  là thuộc về cùng một kiểu cấu trúc và cùng dạng hình học.

Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội 2

33

Các chất (các hợp chất) có bề rộng vùng cấm lớn nhất khi các giá trị hiệu âm điện x bằng nhau và có giá tri với “kation” nhỏ nhất và các “anion”

lớn nhất (có nghĩa là ns phân cực cực đại các đám mây điên tử).

Ta lấy ví dụ về bề rộng vùng cấm của AlSb E=1,60 eV lớn hơn InP

E=1,40 eV, bề rộng vùng cấm của GaSb E=0,70 eV lớn hơn InAs

E=0,40 eV….vv, hay nói một cách khác trong trường hợp liên kết nghiêng về cộng hoá trị thì bề rộng của vùng cấm nhƣ lớn hơn, tuy nhiên đối với CSi

E=2,9 eV thì lại không tuân theo quy luật đó. Trong kết quả tính toán cho bề rộng vùng cấm của Nitrit Gali (GaN) có E=3,5 eV rất gần với E của CSi và InN (E=2,4 eV), trong khi ấy GaN có điện trở rất lớn 4.108/cm, nó thực sự là một bán dẫn và điện trở của InN là  4.103/cm. Các nghiên cứu sau đó cho thấy InN là không bền vững về nhiệt động lực học và dẫn tới có hai khả năng, khả năng thứ nhất có xác suất lớn hơn là:

1 2 y 2 InN InN  yN

hoặc theo phương trình:

1 2

InN InN2N

Trường hợp thứ nhất hình thành nên hợp chất cố thành phần biến đổi và điện dẫn của nó có thể “nhảy lên” hàng chục bậc và trường hợp thứ hai đơn giản là kim loại.

Hình 5: Sơ đồ các tương tự của Ge

Lớp K32E Lý – ĐHSP Hà Nội 2

34