Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КОВАЛЕНТНЫХ И ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ КРИСТАЛЛОВ, СПОСОБЫ ИХ
МОДЕЛИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ КВАНТОВОХИМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА 12
1Л'. Методы и модели исследования электронного строения и энергетического
спектра многоатомных систем 12
1.2. Кластерные модели кристаллов с дефектами. 23
Модель молекулярного кластера 24
Циклические модели 26
1.3. Квантовомеханические методы расчета многоатомных структур 27
1.3.1. Задача квантовой механики многоатомных структур. Приближения,
используемые при ее решении 27
1.3.2. Приближение Хартри 29
Г.3.3. Принцип Паули. Метод Хартри - Фока 30
Приближение молекулярной орбитали в виде линейной комбинации атомных орбиталей (МО ЛКАО) 32
Уравнения Рутаана 34
1.4. Полуэмпирическая расчетная схема MNDO. 36
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ДВУМЕРНЫХ ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА А"'-Ву. 40
Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения двумерных ионно-ковалентных структур типа Аш-Ву. 40
Бездефектные двумерные ионно-ковалентные структуры типа АШ-ВУ 45
Двумерные ионно-ковалентные структуры типа А|П-ВУ, содержащие дефекты замещения 48
Двумерная структура нитрида бора. 49
Двумерная структура нитрида алюминия. 53
Двумерная структура фосфида алюминия 56
2.4. Обсуждение результатов 59
2АЛ. Двумерная структура нитрида бора; 59
Двумерная структура нитрида алюминия 60
Двумерная структура фосфида алюминия 60
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ДВУМЕРНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА A,V-BIV 62
з*
3.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения двумерных
ковалентных структур типа AIV-B,V 62:
Бездефектные двумерные ковалентные структуры типа AIV-B*V 67
Двумерные ковалентные структуры типа А -В , содержащие дефекты замещения. 70
Двумерная углеводородная структура. 71
Кремнийуглеводородная структура 74
3.4. Обсуждение результатов 77
Двумерная углеводородная структура. 77
Двумерная кремнийуглеводородная структура. 79
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ТРЕХМЕРНЫХ ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА A'"-Bv 83
4.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения трехмерных ионно-
ковалентных структур типа Аш-Ву 83
4.2.v Бездефектные трехмерные ионио-ковалентные структуры типа An,-Bv. 85
4.3. Трехмерные иопно-ковалентные структуры типа Аш-Ву, содержащие дефекты*
замещения. 90
Нитрид бора 93
Нитрид алюминия 94
Фосфид бора 96
Фосфид алюминия. 97
4.4. Обсуждение результатов 99
Нитрид бора 99
Фосфид бора. 101
Нитрид алюминия. 104
Фосфид алюминия. 106
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР
ТРЕХМЕРНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА A,v-B,v; 108
5.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения трехмерных
ковалентных структур типа A1 -BIV 108
5.2: Бездефектные трехмерные ковалентные структуры типа А1У-В'У 108 г
5.3. Трехмерные ковалентные структуры типа А^-В, содержащие дефекты /
замещения 113
Углеродная структура 113
Кремиийуглеродная структура 117
5.4. Обсуждение результатов 121
Углеродная структура 121
Кремиийуглеродная структура 123
4
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 127
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 130
Введение к работе
Актуальность темы. Создание новых конструкционных материалов для приборов радиоэлектроники, микроэлектроники, а также квантовой оптоэлектроники - одно из важных направлений современного материаловедения. Основу соответствующих материалов составляют, как правило, кристаллы и различные твердотельные структуры.
Как известно, физические свойства кристаллов определяются их геометрическим, электронным и энергетическим строением. Введение в кристаллическую структуру дефектов различного типа приводит к модификации электронного строения, энергетического спектра и изменению геометрических параметров, что соответственно влияет на физические свойств кристалла. Поэтому исследование влияния различного типа дефектов на электронное строение и энергетический спектр кристаллов представляется важной задачей;
Немаловажную роль для практического применения играют ковалентные и ионно-ковалентные кристаллы. Данные кристаллы, в зависимости от типа атомов, состояния поверхности, наличия примесей и дефектов, могут обладать диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами. Изучению свойств данных кристаллов, как чистых, так и< содержащих различные дефекты, посвящено немало работ. Однако до сих пор слабо освещена область исследования влияния дефектов замещения различного типа на электронное строение и энергетический* спектр одноэлектронных состояний ковалентных и ионно-ковалентых кристаллов. Именно поэтому данный, тип кристаллических структур является интересным объектом ДЛЯ! исследования.
Эксперименты по изучение физических свойств кристаллов с дефектами довольно сложны и дорогостоящи. В связи с этим моделирование и квантовохимическое исследование твердотельных структур с локальными дефектами представляется актуальным. Результаты подобных исследований
позволяют проводить целенаправленный поиск новых материалов микроэлектронной техники, а также объяснять и предсказывать различные наблюдаемые физические явления.
Целью исследования является моделирование и квнтовохимическое исследование влияния различных дефектов замещения на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных кристаллических структур типа AIV-B*V и Am-Bv.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведен поиск и анализ моделей, методов и расчетных схем, наиболее подходящих для исследования влияния дефектов на электронное строение и энергетический спектр выбранных структур.
Изучено влияние размера молекулярного кластера, состоящего из различных атомов и содержащего различные дефекты замещения,, на адекватность получаемых результатов. Найдены оптимальные размеры кластеров для построения моделей различных типов структур.
Исследована модификация электронного строения и спектра одноэлектронных состояний ионно-ковалентных структур типа Аш-Ву при введении атомов одиночных дефектов замещения из III, IV и V групп.
Изучено влияние парных дефектов замещения из IV группы и групп замещения Dm-Gv на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ионно-ковалентных структур типа Аш-Ву.
Исследована модификация! электронного строения и спектра одноэлектронных состояний; ковалентных структур типа AIV-BIV при введении атомов одиночных дефектов замещения из III, IV и V групп..
Изучено влияние парных дефектов замещения из IV группы и групп замещения Dm-Gv на электронное строение и спектр одноэлектронных
^ . IV
состоянии ионно-ковалентных структур типа А -В .
7 7. Изучено влияние поверхностных групп на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ионно-ковалентных двумерных углеводородных структур.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Построены; квазимолекулярные модели ковалентных и ионно-ковалентных двумерных и трехмерных твердых тел, качественно правильно отражающие энергетический спектр электронов и пригодных для модифицирования путем введения дефектной ячейки, влияние на которую граничных условий кластера незначительно.
Выяснено влияние одиночных атомов дефекта замещения и двухатомных групп замещения на электронную структуру и спектр одноэлектронных состояний двумерных и трехмерных структур типаА1У-В1УиАш-Ву.
Установлена степень локальности; различных дефектов замещения в исследуемых структурах.
Проведен анализ электрофизических характеристик двумерных и трехмерных рассмотренных твердотельных структур, обусловленных дефектами различных типов.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные при исследовании влияния различного типа
дефектов замещения на энергетическое строение двумерных и трехмерных
структур, дают возможность целенаправленного подхода к
конструированию материалов для микроэлектронных приборов.
Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе (тема № 29.230 «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней»), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и
8 поисковых работ Министерства образования РФ, и включены в курс лекций по дисциплине «Физика конденсированного состояния вещества» для студентов специальности 01.04.00 - Физика.
Достоверность результатов следует из корреляции полученных параметров с экспериментальными данными и сопоставимости; некоторых из результатов с данными, полученными и апробированными другими исследователями;
Основные положения и результаты выносимые на защиту.
Разработка кластерной модели двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных твердых тел с локальными дефектами замещения.
Результаты расчета электронного строения и? энергетического спектра двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных структур типа AIV-B-V и Ain-Bv, содержащих локальные дефекты замещения в форме одиночных атомов и дефектных групп.
Исследование влияния локальных дефектов замещения на спектр одноэлектронных состояний рассмотренных структур.
Выяснение типов дефектов, приводящих к наиболее существенному изменению структуры энергетического спектра электронов, а следовательно, и на зависящие от них электрофизические характеристики.
Результаты анализа изменения ширины запрещенной щели трехмерных ионно-ковалентных структур в зависимости от типа и количества атомов замещения.
Достоверность результатов следует из наличия корреляции рассчитанных характеристик с экспериментальными данными, а также результатами, полученными и апробированными другими исследователями.
Апробация результатов;. Результаты исследования докладывались на научных семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2001-2002 гг.), на. V и VI межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и
Волгоградской области (2000 г. - 2002 г.), на V Всероссийской научной конференции студентов: и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000 г.)
Публикации:
Литинский А.О., Жуков С.С. Модельный MNDO - расчет электронного строения и энергетического спектра двумерных ковалентных структур с локальными дефектами //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та. Сер.1: Математика. Физика. 1999. Выт 4, с. 162.
Литинский А.О., Жуков С.С, Электронное строение и энергетический спектр двумерных ковалентных структур на основе кремний- и германий- водородов. Модельные МО ЛКАО расчеты //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та. Сер.1: Математика. Физика. 2001. Вып. 6, с.131.
Литинский А.О., Жуков С.С, Лебедев H.F., Электронное строение и энергетический спектр двумерных ионно-ковалентных структур на основе кремнийуглеводородов, нитрида бора, нитрида алюминия и фосфида алюминия //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та., 2003г. Вып. 8
4; Литинский А.О., Жуков С.С, Особенности спектра одноэлектронных состояний полупроводниковых и: диэлектрических двумерных ковалентных и ионно-ковалентных структур, модифицированных введением локальных дефектов //Электромагнитные волны и электронные системы, 2004; т.9; №2, с.47-51..
5. Жуков С.С Моделирование и квантовохимический расчет электронных и энергетических характеристик в полупроводниковых материалах, содержащих донорные и акцепторные центры // Техническая
кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. V всероссийская научная конференция студентов и аспирантов, Таганрог, 12-13 октября 2000 г.: Тез. докл./ изд. ТГРУ - Таганрог 2000. - с.51.
Жуков С.С Модельный расчет электронного строения и энергетического спектра локальных дефектов в двумерных ковалентных структурах //V межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области, Волгоград, 21-24 ноября 2000 г.: Тез. докл./ изд. ВолгГУ. - Волгоград, 2002. - Выпуск 4, Физика и математика, с.23.
Жуков С.С. Изучение спектра одноэлектронных состояний двумерных ковалентных структур на основе кремний- и германийводородов при помощи модельных расчетов //VI межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области, Волгоград, 13-16 ноября 2001 г.: Тез. докл./ изд. ВолгГУ. - Волгоград, 2002. -Выпуск 4, Физика и математика, с.28.
Жуков С.С, Литинский А.О. Электронное строение и энергетический спектр двумерных ковалентных структур с локальными дефектами* // Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой' опто- и наноэлектронике, С.-Петербург, 30 нояб.-З дек. 1999 г.: Тез. докл./ изд СПбГТУ. - СП., 1999, с.117.
Жуков С.С, Иваненко О.И., Литинский А.О. Моделирование и квантовохимический расчет двумерных периодических структур с дефектами // Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, 3-4 февраля 2000 г. Тез.докл. 2000 г.
Жуков С.С, Литинский А.О Спектр одноэлектронных состояний двумерных ковалентных и ионно-ковалентных структур с локальными дефектами //Девятая Всероссийская- научная; конференция студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск, 28.03.2003-3.04.2003 г.
Тез.докл.: В 2 т. Т. 1 - Екатеринбург-Красноярск: Издательство АСФ России,2003 г., с. 157-159. И. Жуков С.С., Литинский А.О Электронное строение и спектр одноэлектронных состояний электронов в ковалентных кристаллах с локальными дефектами//Тезисы докладов юбилейного смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета, Волгоград, 15-17 мая 2000 г.: Тез. докл./ РПК, Политехник. - Волгоград, 2000.-с. 10.
