Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение роли фононной подсистемы кристаллически' ктур и ее проявление на различных этапах протекания элементарных и сложных микро ических процессов является предметом научного поиска большого числа исследователь
коллективов, работающих в области физики твердого тела.
При этом рассмотрение собственно динамики кристаллической решетки является само тельной достаточно сложной задачей. В настоящее еремя существует ряд эксперимен ных и теоретических методик, позволяющих на качественном и, что особенно важно, ко югвенном уровнях получать информацию о колебательных спектрах различных кристалле труктурами от простых кубических до сложных полимерных керамических. Степень науч проработки этих методик, а следовательно, и степень достоверности получаемых резуль в для идеальных кристаллов достаточно высока.
Введение дефектов приводит к изменению фундаментальных свойств кристалла и мс влиять на механизмы протекания разнообразных электронно-атомньк процессов. Акт} шеть исследования новых свойств кристаллов, обусловленных присутствием разного род ектов, возросла s связи с бурным развитием наноструктурных технологий, а также с необ імостью разработки новых методов и приборов для изучения свойств и процессов, проте щих на поверхности и в объеме различных материалов.
Нарушение кристаллической структуры сопровождается появлением новых колебателі состояний (локализованных колебаний) в фононном спектре кристалла, отсутствующих альной решетке и отличающихся от колебаний идеального кристалла пространственно ализацией, большой интенсивностью и быстрым затуханием при удалении от индуцирс него их дефекта. Колебания атомов дефектной области определяют характеристики пр< сов, происходящих при взаимодействии дефекта с кристаллической решеткой, с другим іектами и носителями зарядов, с внешними и внутренними полями и с разными типами и; зний. Как правило, в одном и том же процессе тесно переплетаются все перечислении имодействия и механизм протекания объединяет в себе на разных этапах и при разных уі иях вклады от каждого из них.
При изучении различных релаксационных процессов в облученных кристаллах (фото-мостимулированной экзоэлектронной эмиссии, люминесценции, термостимулированно водимости) важное значение приобретает вопрос взаимодействия электронов с фононно .системой кристалла на стадии захвата носителей заряда на дефектные центры и дал ішей делокализации элекгронов при разных видах стимулирования- Локализованные колі іия при рассмотрении многофононных переходов электронов из связанного состояния іу проводимости могут определять энергетические характеристики освободившихся злаков, влиять на положение температурных пиков и кинетику релаксационных процессов, и ь важную роль в эффектах повторного захвата и рекомбинации. ... .,
Неотъемлемым этапом релаксации носителя заряда в кристалле является стадия тра порта электронов, состоящая из дрейфа в заряженном при облучении поверхностном ело последовательных актов рассеяния электронов на колебаниях решетки. В этом случае нали локализованных состояний может менять непосредственно саму скорость электрон-фононн рассеяния и влиять на окончательное формирование характеристик, связанных с энерг электронов (энергораспределение вышедших электронов, максимальная глубина выхода сителя заряда и т.д.).
Одним из важных с научной и практической точек зрения релаксационных процессе электронной и фононной подсистемах кристаллов является экзоэлектронная эмиссия. К стоящему времени накоплен богатый экспериментальный материал по прикладному испс зованию экзоэмиссии в разных областях физики поверхности, физики твердого тела, мг ркаловедения и наукоемких технологий. Однако известны лишь единичные работы (для II ЭЮг), в которых делается попытка на количественном уровне описать влияние фононной л системы на экзоэмиссионные процессы. Актуальным представляется развитие предложен методик и подходов к рассмотрению этих процессов в ряде других практически важных к сталлов.
В качестве такого кристалла был выбран оксид магния МдО. Выбор МдО объясняе простотой кристаллического строения и наличием большого числа экспериментальных зультатов, позволяющих проводить не только тестовые расчеты для проверки закладьіваеі моделей, но и намечать основные направления исследований. Научно-практический интері этому кристаллу обусловлен его широким применением в различных областях техники.
Цель работы. Изучение роли локализованных фононных состояний, индуцирован дефектами кристаллической решетки, в формировании транспортных и экзоэмиссион свойств диэлектрических кристаллов на примере кристалла МдО с привлечением соврег. ных модельных взглядов и с учетом квантово-механических эффектов.
Научная новизна работы заключается в следующем :
с использованием рекурсивного метода в рамках оболочечной модели получены знач частот локализованных колебаний, индуцированных присутствующими в кристалле МдО г ровалентными примесями железа и анионными вакансиями в разных зарядовых состоян Полученные частоты разложены по типам симметрии и на их основании проанализироЕ совокупность существующих экспериментальных данных;
на примере F- и Р+-центров в МдО получило дальнейшее развитие применение мо; многофононной ионизации для моделирования кривых термостимулированной зкзозлекті ной эмиссии и оценки значений микропараметров эмиссионно-активных центров с учетом веденного при облучении в приповерхностном слое кристалла электрического поля. С исп зованием результатов расчета частот локализованных колебаний показано, что в случае моионизации начальная энергия электронов, делокализованных с F-центра в кристалле г\ может значительно превосходить тепловую;
с использованием формализма корреляционных функций Ван-Хова получены новые резуль-ты при расчете зависимости скорости рассеяния электронов с различной энергией на локированных колебаниях, индуцируемых дефектами в МдО, в оптической и акустической облас-х фононного спектра от температуры и концентрации дефектов. Показано, что учет измене-ія скорости рассеяния на дефектных колебаниях по сравнению с рассеянием в "идеальном іисталле не влияет на конечный результат при моделировании транспорта электронов до 4.0 і в кристаллах МдО с концентрацией примеси до 5 ат. % ;
впервые при моделировании механизмов экзоэмиссии в рамках метода Монте-Карло про-шлизировано влияние эффекта уширения энергии носителя заряда при рассеянии на терма-чзацию электронов внутри кристалла в сравнении с полуклассическим подходом к решению іавнения Больцмана. При учете эффекта уширения энергии получена временная зависи-ость средней энергии нетермализованных электронов, позволяющая делать оценки макси-альной глубины их выхода, подтверждаемые экспериментальными данными. Практическая значимость работы :
разработано оригинальное программное обеспечение в среде Microsoft FORTRAN Power tation 1.0, позволяющее моделировать транспорт электронов в диэлектрических кристаллах с іетом квантово-механических эффектов, которое может быть использовано при решении эикладных задач эмиссионной электроники;
полученные значения частот локализованных колебаний, индуцированных присутствием в зисталле МдО примесей двух- и трехвалентного железа, F- и F"1'- центров, могут быть ис-эльзованы в качестве дополнительной информации при интерпретации ИК- и КР-спектров эфектных кристаллов МдО ;
- для обоснования аналитических возможностей метода экзозлектронной спектроскопии по-
ізана необходимость учета эффекта уширения энергии носителя заряда при рассеянии, по-
золившая уточнить экспериментальные оценки максимальной глубины анализируемого слоя.
На зашиту выносятся :
результаты неэмпирических расчетов частот локализованных колебаний в кристаллах МдО-2\ MgO-Fe3+ и в кристаллах МдО с F- и F'-центрами;
результаты моделирования кривых ТСЭЭ в рамках модели многофонопной ионизации ілу-оких центров в кристаллах МдО с F- и Р+-центрами и результаты расчетов температурной звисимости стартовой энергии делокализованных электронов;
обоснование необходимости учета эффекта уширения энергии носителя при рассеянии в роцессах термапизации и транспорта электронов в диэлектрических кристаллах на примере IgO. Результаты расчетов временной зависимости средней энергии нетермализованных лектронов с учетом уширения энергии;
- результаты расчетов скоростей электрон-фононного рассеяния на дефектных колебаниях в
эисталлах МдО в зависимости от энергии электронов, температуры и концентрации дефек-
зв.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждень Всероссийской конференции «Химия твердого тела и новые материалы» (Екатеринбург, 19 на ежегодных научных семинарах кафедры ФМПК УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 1994, 1995, 199
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 печатных бот.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введе» четырех глав и заключения. В конце каждой главы приведены частные выводы по результа главы. В заключении содержатся общие выводы по работе. Объем диссертации — 124 сі ницы текста, включая 27 рисунков, 8 таблиц и список литературы, содержащий 136 исто1, ков.
