Введение к работе
Актуальность проблемы. Тема диссертационной работы связана с важной проблемой физики твердых тел и теории конденсированных состояний - изучением влияния структуры вещества, фазовых переходов, дефектов решетки, нанокластеров на тепловые, кинетические и другие свойства реальных кристаллов (поликристаллов): широкозонные полупроводники (А В ), твердые растворы SiC и сегнетоэлектрические (сегнетоэластические) кристаллы. Эти материалы обладают важными физическими характеристиками, которые определяют перспективы их использования в качестве активных элементов различных вычислительных, информационных, индикаторных и других устройств современной твердотельной микроэлектроники и развивающихся нанотехнологий.
Тепловые и кинетические характеристики этих соединений определяют перенос зарядов и тепла в датчиках и приборах и самым непосредственным образом связаны с атомной структурой материала, с дефектами их кристаллической решетки, с примесями и фазовыми переходами. Так тепловое сопротивление широкозонных полупроводников и сегнетоэлектриков существенно изменяется при наличии в их матрице даже самого незначительного количества примесей или дефектов (~ 10 ), а проводимость и теплопроводность этих соединений обнаруживают аномальное температурное поведение около температуры структурного фазового перехода Тс. Кроме того в последние 10-15 лет здесь были получены новые интересные результаты и низкотемпературные эффекты (прогибы, скачки, глубокие минимумы), обнаружено гигантское изменение (на два порядка и более) теплосопротивления и другие особенности на кривой температурной зависимости теплопроводности К(Т) в широкой области температур для ряда соединений типа А В [1-3,6], сегнетоэлектриков [9,10], щелочногалоидных кристаллов (ЩГК) и карбида кремния (SiC) [4,5].
Несмотря на значительные разработки в области применений этих материалов, существенные последние успехи физики полупроводников и сегнетоэлектриков, а также достижения современной теории структурных и электронных фазовых переходов, решение проблем вычисления тепловых, кинетических характеристик и прямые расчеты особенностей температурного поведения кинетических коэффициентов указанных выше материалов до сих пор наталкиваются на существенные трудности. В теории кинетических и релаксационных свойств реальных кристаллов [7,8] имеется также ряд принципиальных нерешенных вопросов - это и многочастичные корреляции в рассеяние фононов на кластерах-наночастицах, и большие концентрации дефектов, роль комплексов и кластеров протранственно-коррелированных примесей (ионов), взаимное влияние наличия дефектов и фазовых превращений и другие. По этой причине остаются актуальными модельные исследования механизмов рассеяния фононов и расчеты температурной зависимости кинетических характеристик теплопроводности широкозонных полупроводников и сегнетоэлектриков; выявление и интерпретация низкотемпе-
ратурных особенностей теплового сопротивления этих соединений. Сопоставление результатов расчетов с данными соответствующих экспериментов, что делает актуальной тему настоящей диссертационной работы как с теоретической, так и с прикладной (практической) точки зрения.
Объектом исследования является моделирование механизмов рассея
ния фононов и расчет теплового сопротивления широкозонных полупровод
ников и реальных кристаллов (сегнетоэлектриков) с дефектами, кластерами и
фазовыми превращениями, которые используются для описания и интерпре
тации особенностей поведения широкозонных полупроводников , твер
дых растворов SiC и сегнетоэлектриков (сегнетоэластиков).
Предметом диссертационного исследования являются математические методы механизмов рассеяния фононов и теплового сопротивления широкозонных материалов и сегнетоэлектриков - реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми переходами (превращениями). Анализ и интерпретация особенностей низкотемпературного поведения теплопроводности этих соединений и сопоставление результатов расчета с соответствующими экспериментами.
Целью работы является моделирование особенностей теплового сопротивления широкозонных полупроводников, сегнетоэлектриков и реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми переходами (превращениями), и их классификация. Моделирование механизмов рассеяния фононов, разработка математических моделей и комплекса программ анализа и прогноза поведения теплового сопротивления широкозонных реальных кристаллов и материалов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями.
Основные задачи исследования:
Построение и исследование теоретических моделей, описывающих те-плофизические, кинетические свойства кристаллов с дефектами и нанокла-стерами.
Выявление механизмов рассеяния фононов и моделирование особенностей теплопроводности К(Т) в кристаллах триглицинсульфата (ТГС).
3. Моделирование механизмов рассеяния фононов реальных кристаллов
типа КС1 с примесями и дефектами и их использование для описания поведе
ния К(Т) других систем. Расчет теплопроводности SiC и щелочноголоидных
кристаллов, содержащих различные структурные нарушения.
Модель эффекта гигантского теплосопротивления (усиления) в легированных кристаллах ZnSe:Ni.
Разработка алгоритмов и программ для реализации прогноза и анализа поведения тепловых свойств ZnSe:Ni, карбида кремния SiC и твердых растворов на его основе с учетом фазовых превращений.
Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается корректностью применяемого математического аппарата, использованием высокоточных математических пакетов прикладных программ типа Mathcad 11 и подтверждена качественным и количественным согласием результатов расчетов и моделирования с экспериментальными данными.
Научная новизна результатов:
Впервые разработаны математические модели механизмов рассеяния фононов и проведен численный анализ температурного поведения теплового сопротивления широкозонных реальных кристаллов и материалов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями типа ZnSe:Ni, SiC и ТГС.
Проведены расчеты теплового сопротивления широкозонных полупроводников и реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями вблизи температуры фазового превращения.
Разработаны математические модели и комплекс программ для анализа и прогноза поведения теплового сопротивления широкозонных реальных кристаллов и материалов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями.
Практическая значимость результатов данной работы:
Дано объяснение обнаруженному на кристаллах селенида цинка легированных никелем (ZnSe:Ni), кристаллах ZnSe:Fe (а также Zri].xFexS) эффекту гигантского возрастания (на два порядка и даже более чем в 200 раз) теп-лосопротивления (W) с максимумами при Т=15 К и Т=20 К соответственно.
Проведены численные расчеты, математическое моделирование и дана должная интерпретация поведения теплового сопротивления широкого класса материалов: ZnSe:Ni, SiC, КС1, LiF и ТГС.
Полученные результаты можно использовать при разработке приборов и структур на основе рассмотренных в работе материалов твердотельной электроники.
Разработанные математические модели применимы для анализа и прогнозирования поведения теплового сопротивления сегнетоэлектрических кристаллов и широкозонных полупроводников, что важно для развития технологии получения соединений и гетероструктур на основе этих материалов.
На защиту выносятся:
Объяснение температурных особенностей поведения теплового сопротивления широкозонных полупроводников и реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями, моделирование особенностей К(Т) в щелочноголоидных кристаллах.
Разработанные модели рассеяния фононов и расчеты теплового сопротивления широкозонных материалов и реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями.
Выявленные механизмы рассеяния фононов и расчеты температурного поведения теплового сопротивления твердых растворов на основе SiC и кристаллов типа ZnSe:Ni.
Определение роли резонансного рассеяния фононов на двухуровневых ионах в системах, содержащих точечные дефекты, наночастицы: комплексы дефектов (F~ и F2+-центры в ЩГК), структурные превращения и коллоиды (в ZnSeiNi).
Модели механизмов рассеяния фононов и расчеты температурного поведения теплопроводности кристаллов ТГС с учетом наличия в них фазового перехода и дефектов.
Алгоритмы и комплекс программ анализа и прогноза поведения теплового сопротивления широкозонных реальных кристаллов и материалов с дефектами, кластерами и фазовыми превращениями.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих конференциях:
на IV, V и VI Международных конференциях «Химия твердого тела и современные микро - и нанотехнологии». - Кисловодск - Ставрополь: СевКав-ГТУ, 2004, 2005, 2006 г.;
на VII Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологи» - Кисловодск, 2005 г.;
на IY Всероссийской конференции ФЭ-2006. - Махачкала, 2006;
на IX и X Междисциплинарных, международных симпозиумах «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» и «Порядок, беспорядок и свойства оксидов». - Ростов-на-Дону - п. Лоо, 2006, 2007 г;
на конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск, 2007 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ. Одна статья в журнале «Известия Самарского научного центра РАН», остальные в материалах и трудах Международных и региональных конференций.
Личный вклад автора. Основные результаты, вынесенные на защиту, получены автором самостоятельно. Разработка и обоснование моделей теплового сопротивления широкозонных полупроводников и реальных кристаллов с дефектами, кластерами и фазовыми переходами выполнены автором совместно с научным руководителем Алтуховым Виктором Ивановичем, которому соискатель выражает искреннюю благодарность. Автор также признателен Санкину Александру Викторовичу, Сахненко Владимиру Павловичу и Савеленко Вячеславу Михайловичу за поддержку и обсуждения материалов диссертационной работы. Программное обеспечение для многочисленных модельных расчетов диссертантом создано самостоятельно.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений; содержит 134 листов текста, 4 таблицы, 20 рисунков, список литературы из 155 источников.
