Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-987918
Al-Nuaimi, Nedhal Ali Mahmood
Gemming, Sibylle (Prof. Dr.) ; Plyushchay, Inna (Prof. Dr.) (Gutachter)
Ab-initio Simulation of Silicon Nanowires
Ab-initio Simulation von Silizium-Nanodrähten
Kurzfassung in deutsch
Diese Dissertation befasst sich mit der Verbesserung von Halbleitermaterialien für moderne Anwendungen in der Elektronik und Energiewandlung durch zwei komplementäre Untersuchungen. Der erste Teil konzentriert sich auf Silizium-Nanodrähte (SiNWs), die aufgrund ihrer besonderen elektronischen, mechanischen und quantenmechanischen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten für zukünftige nanoelektronische und nanoelektromechanische Systeme (NEMS) gelten. Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen wurden an ultradünnen SiNWs mit Orientierung entlang der kristallographischen Richtungen [001] und [111] durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass [001]-SiNWs metallisches Verhalten aufweisen, während [111]-SiNWs eine vernachlässigbare direkte Bandlücke zeigen, was sie für Halbleiteranwendungen geeignet macht. Dotierung verändert die elektronischen Eigenschaften signifikant: Bor-Dotierung (p-Typ) verursacht Gitterkontraktion und erzeugt Lochzustände, die die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöhen; Phosphor-Dotierung (n-Typ) führt zur Einspeisung von Elektronen in das Leitungsband, was Gitterexpansion und in manchen Fällen metallisches Verhalten verursacht. Eine ortsselektive Dotierung ermöglicht die gezielte Abstimmung der elektronischen Eigenschaften für Anwendungen in Transistoren, Sensoren und der Quanteninformatik. Die Studie untersucht auch die mechanischen Eigenschaften von unmodifizierten und dotierten SiNWs, einschließlich Volumenmodul (B), Schubmodul (G), Elastizitätsmodul (Y) und Poisson-Zahl (v). Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Anisotropie, wobei [111]-SiNWs aufgrund ihrer atomaren Bindungskonfiguration höhere Steifigkeit aufweisen. Quantenkonfinierung und ein hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis führen in ultradünnen SiNWs zu einer Reduktion der Steifigkeit im Vergleich zu Bulk-Silizium. Bor-Dotierung erhöht die Steifigkeit durch steigende Werte von Y und B, während Phosphor-Dotierung die Scherfestigkeit durch Erhöhung von G und Reduktion des Cauchy-Drucks verbessert. Die Dotierungsorientierung beeinflusst das mechanische Verhalten wesentlich und unterstreicht die Bedeutung der gezielten Platzierung von Dotierstoffen für die zukünftige Geräteentwicklung. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich InGaN-basierten Solarzellen, untersucht mittels SCAPS-1D-Simulationen. Ein steigender Indiumgehalt in den InGaN-Schichten erhöht den Wirkungsgrad der Energieumwandlung auf bis zu 23,8% für 0.6 Ga0.4 N. Eine dicke p-Schicht sowie eine dünne, bandlückenreiche Oberschicht im p-p-n-Übergang steigern die Effizienz weiter auf 34,07%. Während die Defektdichte im Allgemeinen die Leerlaufspannung kaum beeinflusst, verschlechtert ein hoher Defektgehalt in der p-Schicht deutlich die Leistung. Insgesamt unterstreichen beide Studien die zentrale Rolle der Materialoptimierung – durch Dotierungsstrategien in SiNWs und Schichtdesign in InGaN-Solarzellen – für den Fortschritt in der Nanoelektronik und Photovoltaik. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen grundlegenden Beitrag zur Entwicklung künftiger Halbleitertechnologien.
Kurzfassung in englisch
This thesis addresses the enhancement of semiconductor materials for modern electronic and energy conversion applications through two complementary investigations. The first focuses on silicon nanowires (SiNWs), promising candidates for next-generation nanoelectronic and nanoelectromechanical systems (NEMS), due to their unique electronic, mechanical, and quantum confinement properties. Density Functional Theory (DFT) calculations were carried out on ultra-thin SiNWs oriented along [001] and [111] crystallographic directions. Results reveal that [001] SiNWs exhibit metallic behavior, whereas [111] SiNWs display a negligible direct bandgap, making them suitable for semiconductor applications. Doping alters electronic properties: boron doping (p-type) induces lattice contraction and introduces hole states that enhance charge carrier mobility; phosphorus doping (n-type) injects electrons into the conduction band, leading to lattice expansion and, in some cases, metallicity. Site-selective doping enables fine-tuning of SiNW electronic properties for use in transistors, sensors, and quantum computing. The study also examines mechanical properties of pristine and doped SiNWs, including bulk modulus (B), shear modulus (G), Young’s modulus (Y), and Poisson’s ratio (v). Results indicate significant anisotropy, with [111]-oriented SiNWs demonstrating greater stiffness due to atomic bonding configurations. Quantum confinement and high surface-areato-volume ratios reduce stiffness in ultra-thin SiNWs compared to bulk silicon. Boron doping enhances stiffness via increased Young’s and bulk moduli, while phosphorus doping improves shear resistance by raising G and lowering Cauchy’s pressure. Dopant orientation influences mechanical behavior, underscoring the importance of optimizing dopant positioning for future device engineering. The second part explores InGaN-based solar cells using SCAPS-1D simulations. Increasing indium content in InGaN layers boosts power conversion efficiency, reaching 23.8% for 0.6Ga0.4N. A thick p-layer and a thin, wide-bandgap top layer in a p-p-n junction elevate efficiency to 34.07%. While defect density generally does not affect open-circuit voltage, high defect levels in the p-layer degrade performance. These studies highlight the critical role of materials optimization—via doping strategies in SiNWs and layer design in InGaN solar cells—for advancing nanoelectronic and photovoltaic technologies and offer foundational insights for designing next-generation semiconductor devices.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Theoretische Physik quantenmechanischer Prozesse und Systeme | |
| Fakultät: | Fakultät für Naturwissenschaften | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Gemming, Sibylle (Prof. Dr.) | |
| DOI: | doi:10.60687/2025-0155 | |
| SWD-Schlagwörter: | Dichtefunktionalformalismus , Simulation , Nanodraht , Elektronik , Dotierung | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Silizium-Nanodrähte , Elektronik , elastische Eigenschaften , Dotierung , Dichtefunktionaltheorie | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | Silicon nanowires , electronics , elastic properties , doping , density functional theory | |
| DDC-Sachgruppe: | Physik | |
| Sprache: | englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 19.08.2025 | |
| OA-Lizenz | CC BY 4.0 |
