Published May 5, 2020
| Version v1
Publication
Open
Measurement and ab initio Investigation of Structural, Electronic, Optical, and Mechanical Properties of Sputtered Aluminum Nitride Thin Films
Creators
- 1. Jordan University of Science and Technology
- 2. Khalifa University of Science and Technology
- 3. Saarland University
- 4. Yarmouk University
- 5. Leibniz Institute for Analytical Sciences - ISAS
Description
Aluminum Nitrides (AlN) thin films have been deposited on glass substrates using DC-magnetron sputtering technique for different back pressure. The piezoelectric and related properties of highly c-axis oriented AlN films fabricated by dc planar magnetron sputtering have been calculated. Experimental results show that highly c-axis oriented AlN films can be fabricated by dc planar magnetron sputtering. X-ray powder diffraction (XRD) technique shows that AlN thin films exhibit a hexagonal structure. Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) within the framework of density functional theory (DFT) and generalized gradient approximation (GGA) was used to investigate the structural and electronic properties of hexagonal AlN structures. The experimental lattice parameters of the as prepared thin films are found to be in good agreement with ab-initio calculated parameters. UV–Vis spectrophotometer measurements are performed to investigate the optical properties of AlN thin films. We found that the refractive index of AlN thin films exhibits values ranging between 2.1 and 2.2. Furthermore, the elastic, piezoelectric and dielectric tensors of AlN crystal are calculated using VASP. The dynamical Born effective charge tensor is reported for all atoms in the unit cell of AlN. The value of the principle component of electronic contribution to the static dielectric tensor of AlN is found to be ≈ 4.68 that is in good agreement with the experimental static dielectric constant. In addition, clamped-ion piezoelectric tensor is calculated. The diagonal components of the piezoelectric tensor are found to be e_33=1.784 C/m^2 and e_31=-0.8 C/m^2. The large values of the piezoelectric coefficients show that polar AlN crystal exhibits a strong microwave piezoelectric effect. Furthermore, the components of the elastic moduli tensor are calculated. The extraordinary electronic, optical, piezoelectric and elastic properties make AlN thin films potential candidates for several opto-electronic, elastic, dielectric and piezoelectric applications.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تم ترسيب الأغشية الرقيقة لنيتريدات الألومنيوم (ALN) على ركائز زجاجية باستخدام تقنية الرش بالتيار المباشر والمغناطيسي للضغط الخلفي المختلف. تم حساب الخصائص الكهربائية الإجهادية والخصائص ذات الصلة لأفلام ALN الموجهة نحو المحور c والتي تم تصنيعها بواسطة رش المغنطرون المستوي بالتيار المستمر. تظهر النتائج التجريبية أن أفلام ALN الموجهة نحو المحور c يمكن تصنيعها بواسطة رش المغنطرون المستوي بالتيار المستمر. تُظهر تقنية حيود مسحوق الأشعة السينية (XRD) أن الأغشية الرقيقة ALN تُظهر بنية سداسية. تم استخدام حزمة محاكاة فيينا (VASP) في إطار نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) وتقريب التدرج المعمم (GGA) للتحقيق في الخصائص الهيكلية والإلكترونية لهياكل ALN السداسية. تم العثور على المعلمات الشبكية التجريبية للأغشية الرقيقة المحضرة في توافق جيد مع المعلمات المحسوبة من البداية. يتم إجراء قياسات الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية لفحص الخصائص البصرية للأغشية الرقيقة ALN. وجدنا أن معامل الانكسار للأغشية الرقيقة ALN يعرض قيمًا تتراوح بين 2.1 و 2.2. علاوة على ذلك، يتم حساب الموتر المرن والكهربائي الإجهادي والعازل لكريستال ALN باستخدام VASP. يتم الإبلاغ عن موتر الشحنة الفعال BORN الديناميكي لجميع الذرات في خلية وحدة ALN. تم العثور على قيمة المكون الرئيسي للمساهمة الإلكترونية في موتر العزل الكهربائي الثابت لـ ALN هي ≈ 4.68 وهو ما يتفق بشكل جيد مع ثابت العزل الكهربائي الثابت التجريبي. بالإضافة إلى ذلك، يتم حساب موتر كهربائي إجهادي مثبت بالأيون. تم العثور على المكونات القطرية للموتر الكهربائي الإجهادي هي e _33=1.784 C/m^2 و e _31=-0.8 C/m^2. تُظهر القيم الكبيرة للمعاملات الكهربائية الإجهادية أن بلورة ALN القطبية تُظهر تأثيرًا كهربائيًا إجهاديًا قويًا في الميكروويف. علاوة على ذلك، يتم حساب مكونات موتر المعامِلات المرنة. تجعل الخصائص الإلكترونية والبصرية والكهرضغطية والمرنة غير العادية أفلام ALN الرقيقة مرشحة محتملة للعديد من التطبيقات الكهروضوئية والمرنة والعازلة والكهرضغطية.Translated Description (French)
Des films minces de nitrures d'aluminium (AlN) ont été déposés sur des substrats en verre en utilisant la technique de pulvérisation cathodique DC-magnetron pour différentes contre-pressions. Les propriétés piézoélectriques et connexes des films d'AlN fortement orientés selon l'axe c fabriqués par pulvérisation cathodique magnétron planaire en courant continu ont été calculées. Les résultats expérimentaux montrent que des films d'AlN fortement orientés selon l'axe c peuvent être fabriqués par pulvérisation magnétron planaire en courant continu. La technique de diffraction des rayons X sur poudre (DRX) montre que les films minces d'AlN présentent une structure hexagonale. Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) dans le cadre de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) et de l'approximation généralisée du gradient (GGA) a été utilisé pour étudier les propriétés structurelles et électroniques des structures hexagonales en AlN. Les paramètres de réseau expérimental des films minces tels que préparés s'avèrent être en bon accord avec les paramètres calculés ab-initio. Les mesures du spectrophotomètre UV–Vis sont effectuées pour étudier les propriétés optiques des films minces d'AlN. Nous avons constaté que l'indice de réfraction des films minces d'Ain présente des valeurs comprises entre 2,1 et 2,2. En outre, les tenseurs élastiques, piézoélectriques et diélectriques du cristal d'AlN sont calculés à l'aide de VASP. Le tenseur de charge effectif dynamique de Born est rapporté pour tous les atomes de la cellule unitaire de l'Ain. On trouve que la valeur de la composante principale de la contribution électronique au tenseur diélectrique statique de l'Ain est ≈ 4,68, ce qui est en bon accord avec la constante diélectrique statique expérimentale. En outre, le tenseur piézoélectrique à ions bridés est calculé. Les composantes diagonales du tenseur piézoélectrique se trouvent être e_33=1,784 C/m^2 et e_31=-0,8 C/m^2. Les grandes valeurs des coefficients piézoélectriques montrent que le cristal d'AlN polaire présente un fort effet piézoélectrique micro-ondes. En outre, les composantes du tenseur des modules élastiques sont calculées. Les propriétés électroniques, optiques, piézoélectriques et élastiques extraordinaires font des films minces d'AlN des candidats potentiels pour plusieurs applications optoélectroniques, élastiques, diélectriques et piézoélectriques.Translated Description (Spanish)
Se han depositado películas delgadas de nitruros de aluminio (AlN) sobre sustratos de vidrio utilizando la técnica de pulverización catódica de magnetrón de CC para diferentes contrapresiones. Se han calculado las propiedades piezoeléctricas y relacionadas de las películas de AlN altamente orientadas al eje c fabricadas por pulverización catódica de magnetrón plano de CC. Los resultados experimentales muestran que las películas de AlN altamente orientadas al eje c se pueden fabricar mediante pulverización catódica con magnetrón plano de CC. La técnica de difracción de rayos X en polvo (XRD) muestra que las películas delgadas de AlN exhiben una estructura hexagonal. Se utilizó Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) en el marco de la teoría funcional de densidad (DFT) y la aproximación de gradiente generalizada (GGA) para investigar las propiedades estructurales y electrónicas de las estructuras hexagonales de AlN. Se encuentra que los parámetros de la red experimental de las películas delgadas preparadas están en buena concordancia con los parámetros calculados ab-initio. Las mediciones del espectrofotómetro UV–Vis se realizan para investigar las propiedades ópticas de las películas delgadas de AlN. Encontramos que el índice de refracción de las películas delgadas de AlN presenta valores que oscilan entre 2,1 y 2,2. Además, los tensores elásticos, piezoeléctricos y dieléctricos del cristal de AlN se calculan utilizando VASP. El tensor de carga efectiva de Born dinámico se informa para todos los átomos en la celda unitaria de AlN. Se encuentra que el valor del componente principal de la contribución electrónica al tensor dieléctrico estático de AlN es ≈ 4.68 que está en buen acuerdo con la constante dieléctrica estática experimental. Además, se calcula el tensor piezoeléctrico de iones pinzados. Se encuentra que los componentes diagonales del tensor piezoeléctrico son e_33=1.784 C/m^2 y e_31=-0.8 C/m^2. Los grandes valores de los coeficientes piezoeléctricos muestran que el cristal polar de AlN exhibe un fuerte efecto piezoeléctrico de microondas. Además, se calculan los componentes del tensor de módulos elásticos. Las extraordinarias propiedades electrónicas, ópticas, piezoeléctricas y elásticas hacen que las películas delgadas de AlN sean candidatas potenciales para varias aplicaciones optoelectrónicas, elásticas, dieléctricas y piezoeléctricas.Files
pdf.pdf
Files
(1.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7b65086f8caebb2aa239e477515172c3
|
1.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- القياس والتحقيق من البداية في الخواص الهيكلية والإلكترونية والبصرية والميكانيكية لأغشية نيتريد الألومنيوم الرقيقة المتناثرة
- Translated title (French)
- Mesure et étude ab initio des propriétés structurelles, électroniques, optiques et mécaniques des films minces de nitrure d'aluminium pulvérisés
- Translated title (Spanish)
- Medición e investigación ab initio de las propiedades estructurales, electrónicas, ópticas y mecánicas de las películas finas de nitruro de aluminio pulverizadas
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3023228069
- DOI
- 10.3389/fphy.2020.00115
References
- https://openalex.org/W1601006633
- https://openalex.org/W1873158389
- https://openalex.org/W1969897809
- https://openalex.org/W1969959933
- https://openalex.org/W1970127494
- https://openalex.org/W1971353140
- https://openalex.org/W1971534932
- https://openalex.org/W1973351895
- https://openalex.org/W1975745402
- https://openalex.org/W1979544533
- https://openalex.org/W1983378088
- https://openalex.org/W1985166027
- https://openalex.org/W1985565290
- https://openalex.org/W1988476997
- https://openalex.org/W1988913114
- https://openalex.org/W1988926658
- https://openalex.org/W1990175321
- https://openalex.org/W1990279668
- https://openalex.org/W1993405320
- https://openalex.org/W1998677149
- https://openalex.org/W2003183347
- https://openalex.org/W2004304943
- https://openalex.org/W2006309075
- https://openalex.org/W2009533336
- https://openalex.org/W2012089174
- https://openalex.org/W2012111359
- https://openalex.org/W2021845484
- https://openalex.org/W2023769318
- https://openalex.org/W2026648097
- https://openalex.org/W2029265890
- https://openalex.org/W2030976617
- https://openalex.org/W2031143201
- https://openalex.org/W2032900346
- https://openalex.org/W2033025958
- https://openalex.org/W2038094465
- https://openalex.org/W2038867669
- https://openalex.org/W2039897489
- https://openalex.org/W2039996609
- https://openalex.org/W2040714211
- https://openalex.org/W2040976339
- https://openalex.org/W2042324860
- https://openalex.org/W2052202009
- https://openalex.org/W2052905885
- https://openalex.org/W2054824526
- https://openalex.org/W2058568474
- https://openalex.org/W2060186248
- https://openalex.org/W2061453480
- https://openalex.org/W2061620564
- https://openalex.org/W2064254670
- https://openalex.org/W2066129911
- https://openalex.org/W2067425773
- https://openalex.org/W2071965345
- https://openalex.org/W2072527172
- https://openalex.org/W2074143600
- https://openalex.org/W2077882838
- https://openalex.org/W2079245444
- https://openalex.org/W2080621658
- https://openalex.org/W2080947327
- https://openalex.org/W2081838507
- https://openalex.org/W2083222334
- https://openalex.org/W2085093563
- https://openalex.org/W2087426917
- https://openalex.org/W2087698390
- https://openalex.org/W2088610372
- https://openalex.org/W2103350113
- https://openalex.org/W2105914745
- https://openalex.org/W2121690822
- https://openalex.org/W2127628584
- https://openalex.org/W2129547735
- https://openalex.org/W2132324362
- https://openalex.org/W2141399311
- https://openalex.org/W2142023360
- https://openalex.org/W2158417770
- https://openalex.org/W2158773423
- https://openalex.org/W2166006468
- https://openalex.org/W2167127701
- https://openalex.org/W2170402116
- https://openalex.org/W2230728100
- https://openalex.org/W2247569707
- https://openalex.org/W2281289600
- https://openalex.org/W2286769820
- https://openalex.org/W2335373519
- https://openalex.org/W2464855692
- https://openalex.org/W2772371828
- https://openalex.org/W2807338878
- https://openalex.org/W2808296014
- https://openalex.org/W2883540867
- https://openalex.org/W2918482428
- https://openalex.org/W2923573952
- https://openalex.org/W2947734853
- https://openalex.org/W2981468373
- https://openalex.org/W2981901565
- https://openalex.org/W2983508142
- https://openalex.org/W2991598584
- https://openalex.org/W811054497