A simple thermodynamic model for the doping and alloying of nanoparticles

ABSTRACT

Impurity incorporation into nanoparticles is modeled using thermodynamics. For small particles, entropically driven impurity incorporation is reduced, rendering doping difficult. We show that the free energy of surface impurities in small nanoparticles is lower than core impurities, surface doping therefore occurs preferentially. A critical size for core doping is identified, below which it is energetically unfavorable. In all cases, core impurity concentration is reduced as particle size decreases. We show larger than bulk impurity concentrations are possible, corresponding to increased alloying.

INTRODUCTION

  Doping of semiconductors is a well-established technique used to tailor the electrical and optical properties of devices . In recent years, considerable work on the doping of nanoparticles and nanostructures has been carried out, with varying levels of success . While it is possible to dope nanoparticles, as their size  decreases, the ability to incorporate impurities into the core of the structure becomes increasingly difficult . The two governing forces, kinetics and thermodynamics, have both been studied extensively. The binding of impurity atoms to the surface of nanoparticles—which is the assumed mechanism driving nanoparticle doping in the kinetics model —requires many assumptions and complex calculations. Treating doping as a purely  thermodynamic process involves only a few minor assumptions (particle shape, structure, etc), which leads to a more well-defined model that can be trivially extended to various semiconductor systems. We employ a simple thermodynamic model, considering Gibbs free energy, enthalpy, and entropy as they relate to doping.
This simple model provides physical insight and understanding into an otherwise complicated phenomenon. We propose that  hermodynamics on its own is sufficient to explain the doping properties of nanoparticles. Doping models based solely on kinetics make two major assumptions: (1) that thermodynamic equilibrium is not realized and (2) that diffusion within the nanoparticle is virtually non-existent. Erwin et al  cite kinetics as the limiting mechanism to nanoparticle doping, and propose that surface binding energies, as well as impurity adsorption times, are the primary factors to be considered. Their model requires impurities to be able to bind to the nanoparticle surface and then reside there long enough for subsequent layers to be overgrown,  essentially trapping the impurity within the particle core .

چکیده

ترکیب ناپذیری به نانوذرات با استفاده از ترمودینامیک مدل سازی می شود. برای ذرات کوچک، ترکیبات ناخالصی که به وسیله ی آنتروپیک هدایت می شوند، کاهش می یابد و دوپینگ مشکل است. ما نشان می دهیم که انرژی آزاد ناخالصی های سطحی در نانوذرات کوچک کمتر از ناخالصی های هسته ای است، بنابراین دوپینگ سطح به ترتیب رخ می دهد. یک اندازه بحرانی برای دوپینگ هسته شناسایی شده است، که در زیر آن به شدت ناسازگار است. در تمام موارد، غلظت ناخالص هسته به دلیل کاهش اندازه ذرات کاهش می یابد. ما نشان می دهد بزرگتر از غلظت ناخالصی های بزرگ ممکن است، مربوط به افزایش آلیاژ است.

مقدمه

دوپینگ نیمه هادی ها یک روش خوب برای استفاده از ویژگی های الکتریکی و نوری دستگاه ها است. در سال های اخیر، کار قابل توجهی در مورد دوپینگ نانوذرات و نانوساختارها با سطوح مختلف موفقیت صورت گرفته است. در حالی که ممکن است نانوکامپوزیت ها را به دلیل کاهش اندازه آنها افزایش دهند، توانایی افزودن ناخالصی ها به هسته ساختار به طور فزاینده ای مشکل می شود. دو نیروی حاکم، سینتیک و ترمودینامیک، هر دو به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. اتصال ناخالصی ها به سطح نانوذرات – که مؤلفه فرض شده دوپینگ نانوذرات در مدل سینتیک است – نیازمند بسیاری از مفروضات و محاسبات پیچیده است. درمان دوپینگ به عنوان یک فرایند صرفا ترمودینامیکی فقط شامل چند فرضیه جزئی (شکل ذرات، ساختار و غیره) است که منجر به یک مدل بهتر تعریف شده می شود که می تواند به صورت سه بعدی به سیستم های نیمه هادی مختلف گسترش یابد. ما با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی ساده، با توجه به انرژی آزاد گیبز، آنتالپی و انتروپی به عنوان آنها مربوط به دوپینگ است. این مدل ساده، بینش فیزیکی و درک پدیده پیچیده دیگری را فراهم می کند. ما پیشنهاد می کنیم که هرمودینامیک به تنهایی برای توضیح خواص دوپینگ نانوذرات کافی است. مدل های دوپینگ تنها بر اساس سینتیک ها دو فرضیه اصلی را مطرح می کنند: 1) تعادل ترمودینامیکی تحقق نمی یابد و 2) نفوذ درون نانوذرات تقریبا غیرممکن است. Erwin و همکاران، سینتیک را به عنوان مکانیسم محدود کننده دوپینگ نانوذرات معرفی می کنند و پیشنهاد می کنند که انرژی جذب سطح و بار جذب ناخالص، عوامل اصلی در نظر گرفته شده اند. مدل آنها نیاز به ناخالصی دارد تا بتواند به سطح نانوذرات متصل شود و سپس به اندازه کافی طول بکشد تا لایه های بعدی رشد کند و اساسا ناخالصی را در داخل هسته ذرات قرار دهد.

Year: 2011

Publisher : IOP

By : J P Petropoulos , T R Cristiani , P B Dongmo and J M O Zide

File Information: Persian Language/ 6 Page / size: 579 KB

Download

سال : 1390

ناشر : IOP

کاری از : J P Petropoulos، T R Cristiani، P B Dongmo و J M O Zide

اطلاعات فایل : زبان فارسی / 6 صفحه / حجم : KB 579

لینک دانلود