[논문 리뷰] Electronic, Mechanical, and Piezoelectric Properties of ZnO Nanowires

Hongjun Xiang, Jinlong Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2005. 11. 18.

ZnO doping and properties인용 수 136

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 [0001] ZnO 나노와이어의 전자적, 기계적, 피에조전기적 성질을 조사하여, 반경 감소가 양자 및 탄성 구속으로 인해 금역과 양의 모odulus를 증가시킨다는 것을 밝혀냈다. 자유 표면의 완화로 인해 유효 피에조전기 계수는 막대보다 높으며, 표면과 격자 효과가 경쟁함에 따라 반경에 따라 비단조적인 의존성을 보인다.

ABSTRACT

Hexagonal [0001] nonpassivated ZnO nanowires are studied with density functional calculations. The band gap and Young's modulus in nanowires which are larger than those in bulk ZnO increase along with the decrease of the radius of nanowires. We find ZnO nanowires have larger effective piezoelectric constant than bulk ZnO due to their free boundary. In addition, the effective piezoelectric constant in small ZnO nanowires doesn't depend monotonously on the radius due to two competitive effects: elongation of the nanowires and increase of the ratio of surface atoms.

연구 동기 및 목표

• ZnO 나노와이어의 양의 모odulus에 대한 갈등하는 실험 보고를 해결하기 위해 첫 번째 원리 계산을 제공하기 위해.
• 결함이 없는 ZnO 나노와이어에서 전기기계 결합이 막대에 비해 증가하거나 감소하는지 명확히 하기 위해.
• 자기 끝을 가진 ZnO 나노와이어에서의 불완전 결합과 반경 방향 양자 구속이 밴드 갭에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 일차원 나노와이어에 적합한 유효 피에조전기 계수를 정의하고 계산하기 위해.
• 나노와이어에서 표면 대 부피 비율과 격자 완화의 상호작용이 피에조전기 반응에 미치는 영향을 이해하기 위해.

제안 방법

• 노름 보존 허위전자 및 DZP 기저 집합을 사용한 SIESTA 패키지를 이용한 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 교환-상관 함수에 국소 밀도 근사(LDA)를 사용하고, 20 mRy 에너지 이동과 350 Ry 메쉬 컷오프를 설정.
• 현대 전극 이론을 기반으로 한 베리 위상 방법과 유한 차분을 조합하여 피에조전기 반응을 계산.
• 1차원 시스템에 적합하게 하기 위해, 원자 평균 유효 피에조전기 계수 $ e_{33}^a = e_{33} imes V_{\text{scell}} / N $ 를 정의.
• 다양한 초기 직경(3.66–28.59 Å)을 가진 나노와이어의 체계적 완화를 통해 크기 의존성 성질을 연구.
• 격자 상수를 고정한 경우와 완화한 경우의 $ e_{33}^a $ 를 별도로 분석하여 격자 완화의 역할을 분리.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경 방향 양자 구속으로 인해 [0001] ZnO 나노와이어의 밴드 갭은 반경에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 ZnO 나노와이어의 양의 모odulus는 직경 감소에 따라 증가하는가? 막대 ZnO와 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ3 자유 표면 완화로 인해 ZnO 나노와이어의 유효 피에조전기 계수는 막대 ZnO보다 큰가?
• RQ4 작은 ZnO 나노와이어에서 유효 피에조전기 계수의 반경에 따른 비단조적인 의존성은 왜 발생하는가?
• RQ5 표면 원자 비율과 격자 완화가 나노와이어의 전기기계 반응에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?

주요 결과

• 반경 방향 양자 구속으로 인해 ZnO 나노와이어의 밴드 갭은 막대의 0.63 eV 에서 가장 얇은 나노와이어(반경 ~1.66 Å)에서는 2.40 eV로 증가한다.
• 나노와이어의 반경 감소에 따라 양의 모odulus가 증가하여 가장 얇은 나노와이어(A)에서는 363 GPa에 도달하며, 막대 ZnO의 147 GPa보다 크게 초과한다.
• 모든 나노와이어에서 유효 피에조전기 계수 $ e_{33}^a $ 는 막대 ZnO(1453 × 10⁻¹⁶ μC/Å/이온)보다 크며, 가장 얇은 나노와이어에서 2025 × 10⁻¹⁶ μC/Å/이온으로 최고치를 기록한다.
• $ e_{33}^a $ 가 반경에 따라 비단조적인 행동을 보이는 이유는 표면 원자 비율 증가가 반응 증가를 유도하지만, 격자 팽창(증가한 c-격자 상수)으로 인해 반응이 감소하기 때문이다.
• 격자 상수를 막대 값으로 고정한 경우, $ e_{33}^a $ 는 반경 감소에 따라 단조롭게 감소하며, 격자 완화가 표면 효과를 상쇄함을 확인한다.
• 나노와이어에서 향상된 피에조전기 반응은 주로 자유 표면 완화에 기인하며, 축 방향 변형 중 횡방향 수축이 가능하게 하여 유효 피에조전기 계수를 막대 값 이상으로 증가시킨다.