Введение к работе
Актуальность исследования. Новейшая микро и наноэлектроника требует поиска новых материалов с необходимыми электрофизическими характеристиками. Современные физико-химические методы изучения твердофазных соединений позволяют получить достаточно четкие представления об их структуре и физических свойствах. Однако многие особенности электронных процессов в твердых телах (как в объеме, так и на поверхности) невозможно детализировать, исходя только из результатов их экспериментального исследования. Более того, результативность экспериментальных методов в огромной степени определяется адекватной (однозначной) интерпретацией соответствующих результатов. Это приводит к необходимости дополнительного привлечения модельных представлений и вычислительных схем, разработанных на основе квантовомеханического рассмотрения соответствующих структур и электронных процессов.
Важное значение для микро- и наноэлектроники имеют электронные процессы на поверхности кристаллических твердых тел, причем не только на "атомарно чистой", но и покрытой какими-либо функциональными группами, химически связанными с поверхностью, либо в контакте с другими материалами, например, диэлектрическими полимерами (в частности с фторпо-лимерами). От природы поверхностного покрова или фторполимерного контакта зависит энергетический спектр соответствующих электронов, и в конечном счете, зависят электрофизические характеристики соответствующих объектов.
Оксиды непереходных элементов (например кремния, алюминия, германия) изучены достаточно полно. Что же касается оксидов элементов с недо-заполненной 3 d- или 4d- оболочкой, то они изучены в меньшей степени. Поэтому данный класс оксидов (на примере оксидов никеля, молибдена и твердых растворов (фаз внедрения) оксида молибдена с оксидами технеция и ниобия ( в атомах этих элементов число 4ё-электронов отличается от числа 4d-электронов атома молибдена на единицу (в большую или меньшую сторону соответственно)) представляется интересным для детального изучения их электронно-энергетического спектра.
Электронно-энергетические характеристики многоатомных систем представляется возможным рассчитать исходя из квантовохимических представлений, т.е. на основе решения соответствующего уравнения Шредингера, приводящего к получению многоэлектронной волновой функции, описывающей состояние изучаемой системы, и возможных значений её полной энергии. Точное решение многоэлектронного уравнения Шредингера получить невозможно, поэтому для его решения прибегают к введению различных упрощающих предположений (приближений), наиболее важные из которых - адиабатическое приближение и одноэлектронное приближение. Их введение приводит к нелинейной системе уравнений Хартри-Фока-Рутана, самосогласованное решение которого получить хотя и непросто, но вполне возможно. Подход Хартри-Фока-Рутана был применен в данной работе к объектам-моделям поверхностных центров оксидов 3d- и 4d-элeмeнтoв в
рамках неэмпирической процедуры. Модельные подходы и самосогласованная процедура Хартри-Фока-Рутана обеспечивают более полную информацию об электронно-энергетических характеристиках поверхности оксидов переходных элементов, чем существующие экспериментальные методы, и способны предсказать новые физические эффекты.
Целью исследований является выявление особенностей энергетического спектра электронов поверхности оксидов 3d- и 4с1-переходных элементов (включая их твердые растворы (фазы внедрения)) на основе анализа результатов неэмпирических расчетов соответствующих модельных структур.
При реализации поставленной цели решены следующие задачи:
анализ модельных представлений и современных расчетных схем с целью выбора и обоснования наиболее подходящего подхода к изучению электронно-энергетических характеристик поверхности оксидов переходных элементов;
получение и анализ энергетического спектра электронов поверхности оксидов: а) Зс1-элементов (на примере оксидов железа и никеля); б) 4d-элементов (на примере оксида молибдена и его твердых растворов с оксидами технеция и ниобия).
Положения, выносимые на защиту:
Впервые построенные модели поверхностных центров оксидов 3d- и 4d-элeмeнтoв, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления поверхностного центра.
Результаты сравнительного анализа энергетических спектров электронов поверхности оксидов 3d- и 4d-элeмeнтoв а) дегидроксидирован-ной, б)гидроксидированной, в) с фторполимерным покрытием (с участием различных типов атомов углерода полимерной цепи, по которым осуществляется взаимодействие с поверхностью) при различных мультиплетностях изучаемых объектов).
Научная новизна результатов исследования.
Построены кластерные модели поверхностей оксидов 3d- и 4d-элементов (гидроксидированной, дегидроксидированной ("атомарно чистой") и с фторполимерным контактом) с замыканием разорванных валентностей одноэлектронными псевдоатомами, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления атомов переходных элементов.
Для вышеупомянутых структур (при различных мультиплетностях системы) впервые на основе неэмпирического квантового расчета проведен анализ: а)энергетики электронных процессов на поверхности окси-дов;б)энергетического спектра электронов.
Практическая значимость работы. Результаты проведенного в диссертационной работе исследования обеспечивают возможность целенаправленного поиска новых конструкционных материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками для создания новых микро и наноэлектронных устройств.
Достоверность результатов исследования обусловлена применением ранее успешно апробированных вычислительных схем теории функционала
плотности и хорошим совпадением некоторых из полученных результатов с известными экспериментальными данными.
Реализация результатов исследования. Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе (тема НИР №29.330: «Электронное строение и спектр одноэлектронных состояний бинарных полупроводников») на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и поисковых работ.
Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04-"физическая электроника", а именно пункту 4 - "физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях" и пункту 6-"изучение физических основ плазменных и лучевых (пучковых) технологий, в том числе модификации свойств поверхности, нанесение тонких пленок и пленочных структур"
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты опубликованы в периодической научной печати (журналы "Известия ВолгГТУ", " Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования", " Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques.", "Вестник ВолГУ" ), обсуждались на научных конференциях: XII, XIII, XIV региональные конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2007, 2008, 2009 г.г.); Физико-математическое моделирование систем. V, VI международный семинар (Воронеж, 2008; 2009 г.г.); Одиннадцатая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2009 г.); Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь. РЭСХС-2010; XX всероссийская научная конференция (Новосибирск, 2010 г.).
Публикации. По результатам работы имеется 15 публикаций (шесть из которых из списка ВАК), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены квазимолекулярные (кластерные) модели поверхностных структур; оксидов 3d- и 4d-элeмeнтoв, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления атомов переходных элементов; б)проведены расчеты электронно-энергетических характеристик исследуемых объектов; в)совместно с научным руководителем проанализированы результаты компьютерного моделирования (полученных энергетических спектров электронов поверхностных структур).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 66 наименований. Общий объем диссертации составляет 106 страниц, содержит 5 таблиц и 46 рисунков.
