estudio estructural de los semiconductores

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INVESTIGACION

REVISTA MEXICANA DE F´ISICA 49 (1) 9–14

FEBRERO 2003

Estudio estructural de los semiconductores AlP, GaAs y AlAs con estructura
wurzita
A. Bautista-Hern´andez, L. P´erez-Arrieta, U. Pal, and J.F. Rivas-Silva
Instituto de F´ısica, Universidad Aut´onoma de Puebla,
Apartado Postal J-48, Puebla, Pue. 72570, M´exico.
Recibido el 19 de marzo de 2001; aceptado el 10 de octubre de2002
En este trabajo presentamos c´alculos ab initio de la optimizaci´on de geometr´ıas, par´ametros de red y estructura electr´onica para semiconductores con estructura wurzita, tales como AlN, CdS, ZnS, ZnSe, GaN, AlP, AlAs y GaAs. Para ello se usa el programa CASTEP de CERIUS
con las aproximaciones LDA (Local Density Approximation) y GGA (Generalized Gradient Approximation), en el marco de lateor´ıa de
funcionales de la densidad (Density Functional Theory, DFT). Los pseudopotenciales usados en este trabajo son los generados con el esquema de optimizaci´on de Troullier-Martins. Una vez optimizados los par´ametros de red, calculamos el patr´on de rayos X para cada uno de
los semiconductores estudiados. Se analiza el efecto de los pseudopotenciales usados en funci´on de los resultadosobtenidos. Finalmente, se
predice la geometr´ıa y el patr´on de rayos X para el AlP, AlAs y GaAs, con estructura wurzita, comprob´andose el car´acter semiconductor de
estos materiales.
Descriptores: C´alculos ab initio; optimizaci´on de geometr´ıas; patr´on de rayos X; estructura de bandas.
In this work we present ab initio calculations of optimization geometries, lattice constant and electronic structurefor semiconductors wurtzitetype, like AlN, CdS, ZnS, ZnSe, GaN and GaAs. For this, we used the CASTEP program of CERUIS with LDA and GGA approximations, in
the framework of Functional Density Theory. The used pseudopotentials are available in that program and were generated using the optimization scheme of Troullier-Martins. With the lattice constant just optimized, we calculate then the X-rayspectra for studied semiconductors.
We analyzed the effect of used pseudopotentials on function of the results obtained. Finally, we predicted the geometry and X-ray pattern for
AlP, AlAs and GaAs with wurtzite structure, giving evidence about the semiconductor character of this materials.
Keywords: Ab initio calculations; geometry optimization; X-ray spectra; band structure.
PACS: 31.15.Ew;61.10.-i

1. Introducci´on
El arreglo de los a´ tomos en un cristal es probablemente la
propiedad m´as importante por entender a escala at´omica. Es
conocido que en la mayor´ıa de los casos dentro de la ciencia de materiales, especialmente en problemas que involucran superficies, adsorci´on molecular, interfaces, defectos y
la fabricaci´on de nuevos materiales, las posiciones at´omicas
no son conocidas demanera precisa y en algunos casos es
dif´ıcil determinarlas a´un experimentalmente [1]. De acuerdo a la qu´ımica cu´antica [2], la mayor´ıa de las propiedades
f´ısicas y qu´ımicas de un material (al menos las de su estado
base) dependen de la conformaci´on geom´etrica y por lo tanto
su determinaci´on es muy importante.
En este sentido, el uso de par´ametros libres a optimizar
en los c´alculos demec´anica cu´antica para la predicci´on de
la estructura, as´ı como tambi´en de sus propiedades f´ısicas y
qu´ımicas, ha avanzado enormemente en los u´ ltimos a˜nos, debido por un lado al desarrollo de nuevas teor´ıas f´ısicas y al
crecimiento en la capacidad de c´omputo, por el otro [3-7].
En el caso de los materiales semiconductores considerados para este estudio, dependiendo de las condicionesde crecimiento, es posible obtener las fases c´ubica y wurzita para
algunos de ellos. A pesar de que dichas estructuras son similares, sus propiedades espectrosc´opicas pueden ser muy diferentes [8,9]. Sin embargo, en el caso de los semiconductores
AlP, AlAs y GaAs, no hay evidencia experimental de las fa-

ses wurzita, de acuerdo al conocimiento de los autores. En
este caso, por medio del...