62ª Reunião Anual da SBPC

A. Ciências Exatas e da Terra - 3. Física - 4. Física da Matéria Condensada

ESTUDO DAS CONSEQUÊNCIAS DA DISTRIBUIÇÃO DE CARGA NO SILÍCIO

Kalyana Gianello Santini 1 Adriano Manoel dos Santos 1

1. Universidade Estadual de Mato Grosso do Sul/UEMS

INTRODUÇÃO:

O Silício é um elemento largamente empregado como material semicondutor, pois mantém suas características mesmo a altas temperaturas. Pode ser encontrado em várias formas estruturais (polimorfismo), no entanto a estrutura mais comum do silício em um cristal é a estrutura cúbica de face centrada (FCC), onde os átomos se encontram nos vértices do cubo da célula unitária e no centro de suas respectivas faces. Devido ao poder de aplicação no estudo de estruturas cristalinas, neste trabalho foi realizada uma simulação computacional, com o intuito de estudar as propriedades eletrônicas do silício para compará-las com a literatura. Essa simulação foi baseada no método DFT (Density Functional Theory), que é um método utilizado para encontrar as propriedades do estado fundamental de um sistema de muitos corpos. A grande vantagem deste método é simplificar o tratamento de sistemas com muitos corpos interagentes.

METODOLOGIA:

O cálculo da estrutura eletrônica do silício foi baseado no método Ab initio, DFT que determina que a energia total do sistema é um funcional da densidade eletrônica. Através deste método são feitas algumas aproximações, onde a energia total deve considerar a energia cinética, energia eletrostática, energia de interação dos elétrons com o núcleo, energia de interação entre os núcleos e energia de troca-correlação. Para realizar a simulação foi utilizado um software chamado Wien97, que trabalha através de uma base de dados referentes à estrutura do material. Esses dados correspondem às propriedades mais básicas como número atômico, parâmetro de rede, tipo de rede e posição dos átomos na base. O software Wien97 utiliza o método Linearized Augmented Plane Wave (LAPW), que se trata de um procedimento para resolver a equação de Kohn-Sham para a densidade de estados fundamental, energia total e autovalores de um sistema de muitos corpos interagentes. O cálculo foi realizado com dois átomos de silício, em uma rede FCC.

RESULTADOS:

Por meio da simulação foi possível obter a distribuição de carga do silício referente aos estados de valência 3s e 3p, responsáveis pela ligação covalente, onde se pode observar uma alta concentração de carga próxima ao núcleo do átomo, e uma baixa concentração de carga nas regiões intersticiais. Com a distribuição da densidade de estados, que fornece a quantidade de estados eletrônicos para diferentes faixas de energias, verificamos que os estados mais internos pouco alteram sua energia em relação ao átomo isolado, indicando que pouco participam na ligação com os átomos da rede cristalina. A densidade de estados também evidencia o caráter de estados de valência dos orbitais 3s e 3p. Além da distribuição de carga e densidade de estados, foi obtida a estrutura de bandas de energia, para tal foram escolhidos pontos de alta simetria na primeira zona de Brillouin e calculadas energias para cada ponto, assim a estrutura de bandas descreve essas energias em função dos pontos escolhidos. A partir da estrutura de bandas pode-se dizer se o sólido é um isolante, um condutor, ou um semicondutor. Também foi gerada uma curva de otimização do volume do Si, que permite obter o volume no qual o sistema possui maior estabilidade, uma vez que isso acontece quando a energia do sistema é menor.

CONCLUSÃO:

A partir do DFT, foi possível realizar o cálculo da distribuição de carga do átomo. Verificamos com estes cálculos que os estados 3s e 3p respondem praticamente por todo o processo de ligação covalente no Si. Também calculamos a densidade de estados eletrônicos, juntamente com a curva de dispersão, permitindo determinar o gap teórico para assim compará-lo com o experimental. Assim, o resultado deste trabalho foi satisfatório, pois permitiu representar muito bem a teoria referente aos cristais semicondutores.

Palavras-chave: Silício, Density Functional Theory, Simulação Computacional .