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 coreimpurities, surface doping therefore occurs preferentially. A critical size for core doping isidentified, 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 arepossible, 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  omplex 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 thermodynamics 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.

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 هسته های قطعی است، بنابراین دوپینگ سطح به ترتیب رخ می دهد. 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 غلظت ناخالص ممکن است، مربوط به افزایش آلیاژ.

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. پیوند اتم های ناخالصی به سطح نانوذرات – که مؤلفه فرض شده دوپینگ نانوذرات در مدل سینتیک است – نیازمند بسیاری از فرض ها و محاسبات تکمیلی 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 ترمودینامیک 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 همچنین زمان جذب ناخالص، عوامل اصلی در نظر گرفته می شود.

Year: 2011

Publisher : IOP

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

File Information: English Language/ 6 Page / size: 582 KB

Download

سال : 1390

ناشر : IOP

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

اطلاعات فایل : زبان انگلیسی / 6 صفحه / حجم : KB 582

لینک دانلود