Введение к работе
Актуальность темы. Развитие микро- и наноэлектроники требует поиска новых материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками, которые, в свою очередь, обусловлены их электронным строением и энергетическим спектром электронов. Прогресс в области физических методов изучения твердых тел позволяет получить более глубокие представления об их структуре и физических свойствах. Тем не менее, многие особенности поведения электронов, а также процессов как внутри, так и на поверхности твердых тел, невозможно выяснить с необходимой детализацией, исходя только из результатов экспериментального исследования (ИК- и УФ-спектро-скопия, дифракция медленных электронов, спектроскопия энергетических потерь, ЭПР- и ЯМР-исследования). Более того, эффективность экспериментальных подходов существенно зависит от успеха в интерпретации экспериментально полученных результатов. Это говорит о том, что необходимы также теоретические модели и соответствующие расчетные процедуры, основанные на квантовомеханических подходах.
Электрофизические характеристики кристаллических твердых тел определяются их геометрическим и электронно-энергетическим строением. Введение в твердофазную систему как внутриобъемных, так и поверхностных дефектов приводит к модифицированию энергетического спектра электронов, а, следовательно, и к соответствующему изменению их электрофизических свойств. Ионные и ионно-ковалентные твердые тела с дефектами замещения к настоящему времени изучены недостаточно полно, поэтому именно данный тип кристаллических структур представляется интересным и важным для детального изучения.
Целью работы является исследование электронного строения и энергетического спектра электронных состояний, представляющих интерес для микро- и наноэлектронного материаловедения ионных и ионно-ковалентных твердых тел (на примере SiCb; MgO, CdO, MgS; LiH, LiF, LiCl; а-А120з) и на-ночастиц (на примере алюмогидроксидов) с локальными дефектами в объеме и на поверхности на основе современных моделей и квантовохимических расчетных схем, развитых в теории многоатомных систем.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:
Анализ преимуществ и недостатков известных к настоящему времени модельных подходов и квантовохимических расчетных схем с целью выбора наиболее подходящих из них для расчета и изучения электронно-энергетических характеристик интересующих нас (см. выше) объектов.
Для гидроксид-обедненной поверхности диоксида кремния:
установление особенностей электронного строения и спектра одноэлектрон-ных состояний;
исследование зависимости потенциальной энергии поверхностного атома кислорода от его ориентации относительно остатка твердого тела.
Анализ на основе компьютерного исследования энергетического спектра и распределения плотности электронов в ионных кристаллах (на примере MgO, CdO, MgS, LiH, LiF, LiCl) с дефектами в объеме и на поверхности.
Исследование особенностей одноэлектронных состояний поверхности кристалла корунда (а-А120з) с дефектами замещения атомов А1 атомами 3 d-элементов.
Изучение влияния дефектов замещения атомов А1 атомами элементов первого переходного периода на структуру энергетического спектра электронов наночастиц алюмогидроксидов.
Практическая ценность работы. Результаты, полученные при исследовании влияния различного типа локальных дефектов в объеме и на поверхности указанных выше ионных и ионно-ковалентных кристаллов и наночастиц на электронное строение и энергетический спектр электронов, открывают путь для целенаправленного поиска и отбора материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками для их применения в микро- и нано-электронных устройствах (для этого можно воспользоваться таблицей «Классификация состояний в зонной энергетической схеме ионных и ионно-ковалентных твердых тел, обусловленных дефектами», приведенной в приложении 1 диссертации).
Личный вклад автора. Диссертантом построены модели исследуемых структур, проведен их квантовохимический расчет и совместно с научным руководителем проанализированы полученные результаты.
Достоверность результатов определяется корректностью используемых (многократно ранее апробированных) квантовохимических расчетных схем и сравнением некоторых из полученных результатов с экспериментальными данными и с результатами, полученными другими авторами.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1) Для гидроксид-обедненных центров поверхности SiCb:
устойчивым положениям «заповерхностного» атома кислорода (О*) отвечают структуры, в которых О* а) примыкает к одному из атомов кремния (Si', Si") (двухъямный потенциал для О*);, либо б) расположен симметрично относительно этих атомов (одноямный потенциал для О*); переход от а) к б) имеет место при угле a=ZSi'OSi"= 125-^128;
поверхностные структуры с двухъямным потенциалом имеют более низкие энергии в синглетном состоянии при углах а до 130—131, а при больших углах - в триплетном состоянии;
энергетический спектр электронов состоит из двух подзон занятых состояний (имеющих связывающий характер); зона свободных состояний (имеющих разрыхляющий характер) отделена от верхней границы зоны занятых состояний энергетической щелью шириной AEg= 8,6эВ;
в триплетном состоянии неспаренные электроны локализованы на пространственно разделенных атомах Si' и О* (либо Si" и О*).
2) В ионных кристаллах с кубической решеткой (например, MgO, CdO,
MgS, LiH, LiF, LiCl):
- как в области запрещенных энергий, так и в подзонах занятых состояний
возникают состояния, обусловленные вводимыми дефектами (степени вне
дрения этих состояний в соответствующие энергетические зоны представле
ны в разделе «Основные результаты и выводы»).
3) Для поверхности кристалла а-А120з (корунд):
уровни энергии электронов для структур с неполнокоординированным атомом А1 группируются в зоны занятых состояний, преимущественный вклад в которые вносят орбитали атомов кислорода, и вакантных состояний, преимущественный вклад в которые вносят орбитали атомов алюминия, причем неполнокоординированному атому А1 отвечают состояния с более низкими значениями энергии. Рассчитанные значения ширин энергетических зон и щелей качественно верно отражают энергетическое строение а-АЬОз, установленное методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии;
диаграммы энергетических уровней (относительно границ энергетических зон совершенного кристалла) состояний, обусловленных дефектами замещения поверхностного атома А1 на атомы Зё-элементов (Ti^-Ni).
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
для гидроксид-обедненной поверхности SiCb: а) выявлены особенности взаимодействия поверхностных атомов кислорода с остатком поверхностной структуры; б) исследован спектр одноэлектронных состояний;
для ионных кубических кристаллов и а-АЬОз: а)изучено перераспределение плотности электронов, вызванное введением различного рода дефектов; б) в энергетическом спектре электронов установлены положения энергетических уровней электронных состояний, обусловленных объемными и поверхностными локальными дефектами.
Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались на научных семинарах кафедры физики ВолгГТУ, на научной конференции ВолгГТУ (2007г.), Международных семинарах по физико-математическому моделированию систем (Воронеж, 2005г., 2007г., 2008г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из которых 4 - из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Исследования выполнялись в рамках научно-исследовательской работы (тема 29.330 «Исследование взаимодействия потоков заряженных частиц и электромагнитных волн со средами»), проводимой на кафедре физики Волгоградского государственного университета по плану фундаментальных и поисковых работ.
Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов и списка литературы из 92 наименований. Общий объем диссертационной работы составляет 126 страниц, включая 32 рисунка и 14 таблиц.
