Локализация электронных состояний и электромагнитных волн в наноразмерных и микроструктурированных системах с дефектами Тимошенко, Юрий Константинович

Введение к работе

Актуальность темы диссертации

В последние годы во всем мире уделяется большое внимание исследованию физических свойств наноразмерных систем (в частности, их электронной структуры) В связи с необходимостью создания устройств с новыми свойствами самого различного назначения как в интересах фундаментальной науки, так и технических приложений. Термин "нано- система" означает систему атомов или ионов, протяженность которой хотя бы в одном из направлений наноразмерна. Систему полагают наноразмерной, если её характерная протяженность находится в пределах от 1 до 100 нанометров. В настоящей работе фокусируется внимание на наноразмерных системах с собственными и несобственными дефектами. Очевидно, что влияние дефектов на электронные состояния наносистем приводит к более существенной перестройке одноэлектронного энергетического спектра, чем в кристаллах. Причем, особую роль начинают играть поверхностные дефекты ввиду более высокого по сравнению с макросистемами отношения количества поверхностных атомов к количеству объемных. Для адекватного понимания энергетического спектра наносистемы с дефектом во многих случаях требуется информация об электронных состояниях этого дефекта в кристалле. Бывает и наоборот - приходится по данным о дефекте в наносистеме делать качественные заключения об электронной структуре кристалла с этим дефектом. Однако в теориях электронных состояний дефектов в кристаллах и нано- системах имеются и существенные нюансы. В теории дефектных кристаллов положение локального уровня относительно границ зон позволяет делать заключения (по крайней мере, качественные) о степени локализации соответствующего состояния. В наносистемах, не обладающих трансляционной симметрией, краев зон, как и самих зон, не существует. Поэтому положение одноэлектронного уровня на энергетической шкале при рассмотрении наночастиц не всегда является очевидным указанием на локализацию или делокализацию состояния - необходима

дополнительная информация (локальные парциальные плотности состоянии ^ волновые функции). Особенно велика роль локализованных электронных состояний при теоретическом изучении вероятностей квантовых переходов и интерпретации экспериментальных оптических спектров наносистем. Эта роль возрастает, если исследуемый материал в кристаллической фазе обладает непрямой запрещенной зоной, а также при наличии дефектов.

В связи с изложенным выше можно вычленить несколько направлений фундаментальной теории электронных состояний дефектных неметаллических наносистем:

1. теория электронной структуры наносистем с гладкими и атомно - шероховатыми поверхностями, краевыми дислокациями, заряженными дефектами, электрически нейтральными примесями в области ядра дислокации и заряженными дефектами;

2. теория квантовых дипольных переходов в нанокристаллах (HK) с заряженными дефектами и электрически нейтральными примесями.

Некоторые из перечисленных выше направлений разработаны явно недостаточно, другие же теоретически практически не исследовались. К ним относится, например, задача об исследовании влияния заряженных дефектов на электронную структуру и вероятности квантовых переходов в HK, содержащих нейтральные примеси. Очевидно, что развитие теоретических подходов решения таких задач и получение результатов для конкретных систем будет способствовать улучшению понимания электронных процессов и интерпретации экспериментальных спектров наноструктур. Следует заметить, что при решении очерченного выше круга задач по теории электронных состояний наносистем с произвольным типом химической связи, содержащих заряженные дефекты и дислокации, неминуемо столкновение с очень сложными вычислительными проблемами. Поэтому В ДаННОИ работе сделан акцент на рассмотрении частного случая - наносистем, состоящих из "целых ионов". В этом случае перераспределение заряда при самосогласовании относительно невелико, что дает возможность сравнительно просто сформулировать теоретические подходы для рассмотрения наносистем из ~ 10³ ^ 10⁴ ионов. Реализация ЭТИХ ПОДХОДОВ В ВИДЄ компьютерных программ играет роль инструмента для теоретического исследования таких систем. Основным объектом исследования в настоящей работе являлись наносне темы хлорида серебра, так как кристалл AgCl прбдст^влябт собой непрямозонный полупроводник. Системы такого типа наиболее ИНТЄрЄСНЬІ ДЛЯ ИЗуЧЄНИЯ НеКОТОрЫХ ВаЖНЫХ НЮсШСОВ локализации электронных состоянии и квантовых дипольных переходов^ ответственных за формирование края оптического поглощения.

Далее, в последнее время интенсивно развивается новое научное направление - физика упорядоченных микроструктурированных сред (фотонно - кристаллических структур). Несмотря на значительное количество появившихся в последнее время публикаций по теории локализации электромагнитных волн в таких структурах с дефектами, некоторые аспекты этой проблематики недостаточно детально изучены. Это негативно сказывается как на развитии теории фотонно - кристаллических структур, так и на прикладных дисциплинах, связанных с этой тематикой^ что вызывает необходимость в дополнительной теоретической проработке проблемы. Заметим, что последовательная методология исследования локализации электромагнитных волн в фотонно - кристаллических структурах требует выполнения предварительных расчетов фотонной зонной структуры и спектров пропускания, включая анализ точности и численной стабильности использованных под~ ходов. Автор данной работы придерживался именно такой методологии.

В настоящей диссертации предпринята попытка восполнить некоторые пробелы в теории упомянутых выше разделов физики конденсированного состояния. Развитие теоретических представлений о локализации электронных состояний в наноразмерных системах и локализации электромагнитных волн в фотонно - кристаллических структурах актуально как для фундаментальной теории конденсированного состояния, так и для приложений.

Цель работы

Целями диссертационной работы являлись: а) получение новой информации о важнейших характеристиках электронной структуры, в особенности, о локализованных электронных состояниях и факторах, влияющих на степень локализации этих состояний в HK, кристаллических пленках и квантовых нитях с дефектами с ПОМОЩЬЮ новых эффективных теоретических методик расчета электронных состояний и некоторых спектральных свойств наносистем; Ь) изучение влияния заряженных дефектов на электронные состояния и вероятности квантовых переходов в ионных наносистемах; с) детализация процесса локализации света в упорядоченных микроструктурированных системах с дефектами путем компьютерного моделирования.

В соответствии с целью работы были поставлены и решены следующие конкретные задачи:

- развить самосогласованный полуэмпирический метод расчета пространственной и электронной структуры наносистем полярных соединений, содержащих ~ 10³ ^ 10⁴ ионов:

3. развить полуэмпирические методы расчета одноэлектронного энергетического спектра наносистем полярных соединений, содержащих ~ 10⁴ ионов и более, без использования решения алгебраической проблемы поиска собственных значении и собственных векторов с частичным учетом самосогласования;

4. разработать полуэмпирическую методику расчета вероятностей квантовых переходов в электрическом дипольном приближении и спектров поглощения наносистем;

5. показать влияние p-d гибридизации на отщепление поверхностных локальных уровней от потолка валентной зоны наноразмерных кристаллических пленок галогенидов серебра;

6. изучить модификацию зонной структуры и межзонной плотности состояний непря- мозонного полупроводника AgCl при понижении квантовой размерности системы;

7. рассчитать электронную структуру HK и квантовых нитей хлоридов калия и серебра с краевыми дислокациями;

8. рассчитать электронные состояния йодного центра в объеме кристалла, на атомно- шероховатой поверхности и вблизи ядра краевой дислокации в наносистемах хлорида серебра;

9. исследовать влияние заряженного поверхностного дефекта на электронную структуру HK KCl, AgCl, AgCl : I^- и спектры поглощения HK хлорида серебра (в том числе, содержащих примеси замещения йода);

10. исследовать электронные состояния некоторых дефектов (включая краевую дислокацию) в наносистемах и кластерах на основе кремния;

11. исследовать собственные колебательные моды электромагнитного поля, спектры пропускания и процесс локализации света в одномерных фотонно-кристаллических структурах на основе кремния.

Научная новизна!

11. 1. впервые рассчитана электронная структура нанокристаллических пленок хлорида и фторида серебра;

    2. впервые рассчитаны межзонные плотности состояний для кристаллов хлорида и бромида серебра и кристаллической пленки хлорида серебра;

    3. впервые выполнены самосогласованные полуэмпирические с учетом поляризации расчеты электронной структуры HK KCl и AgCl с краевыми дислокациями, а также неэмпирический расчет для дислокации в HK KCl;

    4. впервые рассчитана электронная структура йодного центра в хлориде серебра как в объеме кристалла, так и в наносистемах на атомно-шероховатой поверхности и вблизи ядра краевой дислокации;

    5. впервые рассчитана электронная структура и спектры поглощения HK хлорида серебра с поверхностным заряженным дефектом;

    6. впервые выполнены самосогласованные неэмпирические расчеты электронной структуры кластеров нитрида кремния для интерпретации особенностей рентгеновских спектров.

    Основные научные положения, выносимые на защиту:

    1. при понижении квантовомеханической размерности системы хлористого серебра наблюдается тенденция модификации полупроводниковой системы непрямозонного типа к прямозонной;

    11. 6. 1. установлено, что при наличии ближнего порядка граница наиболее сильного поглощения наноструктуры AgCl в электрическом дипольном приближении примерно совпадает с величиной края поглощения идеального кристалла для прямых переходов;

           2. сильная p-d гибридизация ВШІЄНТНЬІХ СОСТОЯНИИ КаТИОНа И аНИОНа ПОДсШЛЯЄТ OTT де И- ление поверхностных локальных уровней от потолка валентной зоны кристалличе-

           AgCl

           11. 6. 3. обнаружены локализованные состояния вблизи линий краевых дислокаций в нано- системах хлоридов калия и серебра; экстраполируя полученные данные для дислокационных состояний в HK KCl и AgCl на кристаллы, следует заключить, что, вероятнее всего, в хлоридах калия и серебра незаполненные дислокационные уровни в области запрещенной зоны идеального кристалла отсутствуют, а заполненные дислокационные уровни отщепляются от потолка валентной зоны на величины не более ^ 0.5 эВ.

                  AgCl

                  ловушками, если находятся на атомно-шероховатой поверхности или вблизи ядра краевой дислокации;

                  11. 6. 3. 1. поверхностный заряженный дефект, расположенный на расстоянии нескольких меж-

                            AgCl

                            локализации состояний, связанных с этой примесью, и к исчезновению характерных особенностей в спектре поглощения, обусловленных наличием йодного центра;

                            11. 6. 3. 2. путем компьютерного моделирования продемонстрировано, что, вообще говоря, наличие сильной локализации (strong localization) собственных колебательных мод электромагнитного поля в конечных упорядоченных микроструктурированных системах с одиночными дефектами, нє является HG ТОЛЬКО достаточным^ но и необходимым условием реальной локализации электромагнитных волн в этих системах;

                                      3. метод матриц переноса, широко используемый для расчета спектров пропускания фотонно - кристаллических структур, численно неустойчив при рассмотрении систем значительной протяженности, что приводит к появлению в спектре пиков нефизической природы.

                                      Научная и практическая ценность данной диссертационной работы определяется тем, что полученные результаты позволяют уточнить, либо расширить некоторые положения и подходы теории электронной структуры наносистем, а также физики фотонных кристаллов. Развитые в диссертации расчетные методики могут быть использованы для получения новой теоретической информации об электронной структуре и спектральных свойствах наносистем, а также об оптических свойствах микроструктурированных объектов; кроме того, полученные результаты могут послужить теоретической базой для интерпре- тадии существующих и новых экспериментальных данных.

                                      Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается применением различных теоретических методов для решения наиболее важных задач диссертации; тщательным тестированием компьютерных программ, включая решение задач, результаты которых достоверно известны из многочисленных научных публикаций или теоретических положений общего характера.

                                      Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных конференциях по квантовой химии твердого тела (Лиелупе, 1985 и Рига, 1990), на Международной конференции "Х-ray and Inner-shell processes" (Париж, Франция, 1987), на Международных конференциях по аморфным полупроводникам (Asheville, USA, 1989, Garmisch-Partenkirchen, FEG, 1991, Cambrige, UK, 1993), на Международной конференции "Physics and Chemistry Imaging systems" (Rochester, USA, 1994), на Всероссийском семинаре "Наночастицы и нанохимия" (Черноголовка, 2000), на Международной конференции "Extended Defects in Semiconductors" (Черноголовка, 2004), на Международных конференциях "Physical Chemistry of Interfaces and Nanomaterials" (Conference of SPIE Symposium on NanoScience + Engineering, 2008, 2009, San Diego, USA), на Международных конференциях "Nanophotonic Materials" (Conference of SPIE Symposium on NanoScience + Engineering, 2008, 2009 San Diego, USA), на Международной конференции "Defects in Semiconductors" (Санкт-Петербург, 2009) и многих других.

                                      Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано более 100 работ. Список основных научных работ включает 42 публикации. Из НИХ 24 СТаТЬИ В ОТЄ ЧЄСТВЄННЬІХ и зарубежных журналах, рекомендованных ВАК для публикации ОСНОВНЫХ материалов диссертаций.

                                      Основная часть задач, составляющих содержание этих работ, была поставлена и решена автором. Вклад автора настоящей диссертации в работы с соавторами заключается в постановке большинства задач, разработке теоретических моделей для решения рассматриваемых проблем, развитии формализма, создании алгоритмов и комплексов компьютерных программ, а также анализе полученных результатов.

                                      Совокупность полученных результатов и теоретических положений позволяет квалифицировать выполненную работу как решение крупной научной задачи - развитие теоретических представлений о локализации электронных состояний, квантовых переходах в наноструктурах с дефектами (включая заряженные дефекты и дислокации), а также детализации процесса локализации электромагнитных волн в упорядоченных микроструктурированных системах с дефектами.

                                      Структура и объем диссертации

                                      Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации составляет 224 страницы машинописного текста, включая 14 таблиц и 84 рисунка, а также библиографический список использованной литературы из 225 наименований.

                                      Похожие диссертации на Локализация электронных состояний и электромагнитных волн в наноразмерных и микроструктурированных системах с дефектами

                                      

                                      Волны солитонного типа в дискретных системах в физике конденсированного состоянияДмитриев Сергей Владимирович

                                      

                                      Система дефектов и планарная магнитная анизотропия ТФП Fe, Fe-Ni Федорова Энесса Леонидовна

                                      

                                      Квантовая теория каналирования в многокомпонентных системах с дефектами Кирилюк Андрей Павлович

                                      Разработка и применение метода аннигиляции позитронов для изучения сложных структурных дефектов в металлических системах на основе молибдена и железаДубов, Михаил Евгеньевич

                                      

                                      Пострадиационное упорядочение дефектов в неорганических системахВеселова, Елена Михайловна

                                      

                                      Моделирование атомарной структуры и диффузионных свойств точечных дефектов в кубических системахВаликова Ирина Валентиновна

                                      

                                      Влияние состава и дефектов нестехиометрии на электромагнитные свойства перовскитоподобных манганитов системы La#31-c#1Sr#3c#1Mn3-x-y#1Ni#3x#1Ti#3#1O#33+v#1.Мусаева Замира Растямовна

                                      Влияние субмикрокристаллического состояния на масштабные уровни локализации деформации армко - железа, малоуглеродистой и сложнолегированной сталиСон Александра Анатольевна

                                      

                                      Мезомасштабные механизмы локализации пластического течения и разрушения и критерии диагностики механического состояния поликристаллов с макроконцентраторами напряжений Плешанов Василий Сергеевич

                                      

                                      Эффекты локализации и межэлектронного взаимодействия при переходе двумерной системы к диэлектрическому состояниюДижур Евгений Михайлович