Contribuições ao estudo do transporte eletrônico em nanofios semicondutores : localização e estados de interface

Neste trabalho foi estudada a influência que cargas superficiais exercem nas propriedades (especialmente de transporte eletrônico) de nanofios e nanofitas semicondutores através de simulações computacionais e comparação com resultados experimentais. Após uma breve introdução sobre as possíveis aplicações de nanofios e nanofitas e uma discussão dos processos de crescimento e construção de dispositivos para caracterização das estruturas, foram apresentadas as bases teóricas necessárias para o desenvolvimento dos modelos e equações utilizadas para a determinação de algumas propriedades eletrônicas das estruturas de interesse. O primeiro modelo desenvolvido leva em conta os efeitos de cargas distribuídas aleatoriamente na superfície das estruturas e mostra sua contribuição ao confinamento e distribuição de elétrons. Esta idéia foi aplicada a dispositivos baseados em nanofitas de In2O3 e mostrou que a presença de cargas superficiais empurra os elétrons para o centro da nanofita, tornando o espalhamento elétron-elétron importante no transporte eletrônico. Este comportamento foi também observado experimentalmente através de uma curva resistência-temperatura decrescente para T < 77K em nanofitas de menor largura, efeito que desaparece com o aumento das dimensões da nanofita. De maneira simples os resultados dos cálculos concordam com os resultados experimentais confirmando que a desordem superficial leva a um potencial aleatório que controla o fluxo de elétrons na nanofita. Tendo em vista os resultados anteriores foi desenvolvido um modelo para o estudo da influência da desordem superficial na formação das interfaces metal-semicondutor necessárias para a construção de um dispositivo. Neste modelo foi estudado o efeito das cargas superficiais no perfil da banda de condução de um nanofio em um dispositivo usual com contatos Schottky e Ôhmico definidos em um nanofio de germânio. Novamente os resultados mostraram que a presença do potencial aleatório superfícial leva à localização de cargas gerando os chamados estados de superfície, que por sua vez alteram o perfil da banda de condução em todas as direções do nanofio. Como resultado a corrente elétrica calculada no dispositivo apresentou mudanças que mostram a influência dos estados de superfície na alteração do mecanismo de transporte de corrente dominante: de emissão termiônica para difusão. Foram então simuladas várias curvas de corrente-voltagem (I-V) para diferentes temperaturas, e acompanhando a evolução do mecanismo de transporte com a variação da concentração superficial dos estados de superfície, observou-se um decrescimento do valor de altura de barreira Schottky. Valores experimentais de altura de barreira Schottky obtidos pelo ajuste de curvas I-V para dispositivos de nanofios de germânio estão satisfatoriamente próximos ao resultado que obtivemos para uma concentração superficial de estados de superfície de 1013cm&#1048576;2. Com este modelo pode-se determinar tanto o mecanismo dominante de transporte de corrente como também a altura de barreira e a densidade de estados superficiais característicos do dispositivo.In this work, we studied the influence of surface charges on the properties (especially electronic transport) of semiconductor nanowires and nanobelts via computer simulations and also they were compared to experimental results. After a brief introduction over possible applications of nanowires and nanobelts and a discussion of the processes of growth and device building for characterization of the structures, the theoretical foundations required for the development of models and equations used to determine the electronic properties of some structures of interest were presented. The first developed model takes into account the effects of charges distributed randomly on the surface of structures and shows their contribution to confinement and electron distribution in the nanostructures. This idea was applied to In2O3 nanobelts based devices and showed that the presence of surface charges pushes electrons to the center of nanobelt, making the electron-electron scattering mechanism important in electron transport. This behavior was also observed experimentally through a resistance-temperature experiments where was observed a decreasing resistance for T < 77K. This behavior was observed in nanobelts presenting smaller width and disappearing with increasing dimensions of the nanobelt. Roughly speaking, calculation results agree with the experimental ones confirming that disorder leads to a superficial random potential which in turn, controls the electron flow in the nanobelt. In view of the above results, a model was developed to study the influence of the superficial disorder in the formation of metal-semiconductor interfaces required to build a real device. In this new model, we studied the effect of surface charges on the profile of the conduction band of a germanium nanowire device on which usual Schottky and Ohmic contacts were defined. Again the results show that the presence of the random potential leads to localization of surface charges, generating the so-called surface states, which in turn alters the profile of the conduction band in every direction of the nanowire. As a result some changes in the calculated electric current were observed. The main influence of surface states is the changing the transport mechanism: from thermionic emission to diffusion of carriers. Various current-voltage (I-V) curves were then simulated at different temperatures and investigating the evolution of the transport mechanisms with the variation of the surface state density, we observed a decrease of the value of Schottky barrier height. Experimental values of Schottky barrier height obtained from fitting I-V curves for germanium nanowire devices are satisfactorily close to the results that we have obtained for a surface states density of 1013cm&#1048576;2. With this model is possible to determine both the dominant mechanism of current transport and also the barrier height and density of surface states characteristics of the device