Studio multiscala degli stati elettronici e di spin indotti da difetti di punto in semiconduttori a banda larga e prospettive per le tecnologie quantistiche

Il nostro obiettivo principale è l'analisi dei difetti di punto nei semiconduttori a larga banda. Li studiamo dapprima da principi primi attraverso l'uso di metodi ab initio basati sulla teoria del funzionale densità, quindi utilizziamo altri mezzi di analisi per trovare possibili applicazioni nel reame della nanoelettronica (condensatori Al2O3/AlGaN privi di difetti) o tecnologie quantistiche (difetti di punto in 4H- e 3C-SiC aventi un tempo di decoerenza elevato). Ad esempio, dopo la calibrazione ab initio del modello hamiltoniano di un difetto, siamo riusciti a far luce sulla dinamica coerente di tali sistemi (nel bulk del materiale o confinati in nanostrutture 3D). Le strutture atomiche dei difetti sono ben caratterizzate e ottimizzate durante la fase di calibrazione utilizzando il codice Quantum Espresso. Il Carburo di Silicio e il Nitruro di Gallio sono i semiconduttori a larga banda che studiamo rispettivamente dal punto di vista delle Tecnologie Quantistiche e della nanoelettronica. Per quanto riguarda la nanoelettronica, esaminiamo l'effetto deleterio che i difetti di Frenkel potrebbero avere nelle giunzioni Al2O3/AlGaN. I condensatori basati sul dispositivo metallo-ossido-semiconduttore Al2O3/AlGaN mostrano un comportamento isteretico nelle loro caratteristiche di capacità vs voltaggio, spesso attribuito a trappole vicine all'interfaccia derivanti da difetti all'interno dello strato di ossido. L'origine e le proprietà strutturali/elettroniche di tali difetti sono ancora fortemente dibattute in letteratura. Nella nostra ricerca utilizziamo la dinamica molecolare ab initio e il metodo Nudged Elastic Band (NEB) arrampica-immagine per mostrare che i difetti di Frenkel di alluminio danno origine a stati trappola bistabili in Al2O3 disordinato e stechiometrico. Sulla base di questi risultati, proponiamo un modello polaronico calibrato che rappresenta una distribuzione di livelli di energia interagenti individualmente con un modo di riconfigurazione interna e accoppiato a bande continue di portatori per spiegare il meccanismo di isteresi nei condensatori Al2O3/AlGaN. Per quanto riguarda la tecnologia quantistica, proponiamo un difetto la cui identificazione sperimentale deve ancora essere effettuata, ossia la vacanza di silicio neutra in 3C-SiC. Studiamo la vacanza di silicio (SiV) in 3C-SiC come un promettente centro di colore, modellandolo come uno spin elettronico (che si comporta come un qubit in condizioni appropriate) che interagisce magneticamente con il bagno di spin nucleari in SiC contenente i nuclei Si-29 e C-13 nella loro naturale concentrazione isotopica. Calcoliamo l'energetica della SiV neutra e carica con metodi ab initio, identificando il suo stato di carica neutro come il più favorevole per i sistemi 3C-SiC drogati p. Vengono anche calcolate le proprietà magnetiche per la SiV neutra in 3C- e 4H-SiC, sia nei siti cristallini k che h, e i risultati vengono confrontati. Valutiamo quindi il Free Induction Decay e la sequenza Hahn-echo degli impulsi di controllo sullo spin elettronico che interagisce con il bagno di spin nucleari. Facciamo luce sul fenomeno Electron Spin Echo Envelope Modulation e sull'effetto di decoerenza mediante la teoria Cluster Correlation Expansion. Troviamo un decadimento della coerenza non esponenziale, che è una caratteristica tipica dei qubit a stato solido. Estendiamo l'analisi delineata alle vacanze di silicio in diverse nanoparticelle 3C-SiC per applicazioni in Quantum Sensing. Applichiamo la sequenza Hahn-echo allo spin elettronico che interagisce con il bagno di spin nucleari e usiamo la teoria Cluster Correlation Expansion (per ipotesi) per calcolare la coerenza del sistema totale. Analizziamo diverse forme di nanoparticelle come ambienti per il qubit. Applichiamo la costruzione termodinamica di Wulff, sia quella originale che quella modificata, per determinare rispettivamente la corretta forma delle nanoparticelle 3C-SiC in equilibrio termodinamico e dopo che è stato seguito un particolare processo di crescita. Modifichiamo la Kinetic Crystal Shape di Masullo et al. finché non troviamo due strutture visibilmente diverse. Inoltre, mostriamo che in una nanoparticella piramidale il qubit si comporta in modo diverso lontano dalla punta rispetto a come si comporta vicino ad essa. Troviamo che il qubit all'interno delle nanoparticelle più appuntite è più sensibile alla configurazione del bagno rispetto alle altre forme.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2023

Author dc:creator

• FAZIO, Tommaso

Contributors dc:contributor

• PALADINO, ELISABETTA

• Electron-nuclear spin bath, Cluster Correlation Expansion theory, Ab initio methods, Density Functional Theory, Qubit Decoherence, Electron Spin Echo Envelope Modulation , Al2O3/AlGaN junction, Polaronic effect, Nanoparticle, Silicon vacancy in 3C-SiC, Quantum Sensing
• Bagno di spin nucleari, Teoria dell'espansione in ammassi correlati, Metodi ab initio, Teoria del funzionale densità, Decoerenza del qubit, Modulazione dell'inviluppo dello spin eco elettronico, Giunzione Al2O3/AlGaN, Effetto polaronico, Nanoparticella, Vacanza di silicio in 3C-SiC, Sensing quantistico

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/582189

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/582189