Введение к работе
Актуальность темы. Развитие твердотельной электроники в таких принципиально новых направлениях, как наноэлектроника и спиновая электроника, базируется на фундаментальных исследованиях многокомпонентных электронных материалов. Во многих случаях это гетерофазные материалы - гетероструктуры, содержащие ограниченное количество тонких слоев двух и более функциональных материалов. Подобные материалы не только выдерживают конкуренцию с классическими материалами, но и обладают уникальными физическими характеристиками, позволяющими обеспечить качественно новый уровень обработки, передачи и хранения информации.
Важнейшей задачей современной электроники является создание эффективных фотоэлектрических преобразователей энергии солнечной радиации, работающих на основе внутреннего фотоэффекта. Многокомпонентные анизотропные халькопириты I-III-VI2 являются перспективными материалами для создания гетероструктур - основ высокоэффективных солнечных элементов с кпд до 30%. В то же время их физические свойства напрямую связаны с характером нарушений кристаллических решеток на границе раздела (интерфейсе) структуры. Причиной этого является анизотропия коэффициента термического расширения (КТР), который может быть как отрицательным (в области низких температур), так и положительным, что приводит к рассогласованию постоянных решёток компонентов, образующих гетероструктуру.
Одним из наиболее актуальных и перспективных направлений исследований для целей спинтроники является исследование переноса спин-поляризованных электронов (спинового транспорта) в гетероструктурах «ферромагнитный полупроводник - немагнитный полупроводник». Большинство исследований посвящено изучению гетероструктур (в том числе сверхрешеток) на основе бинарных халькогенидов европия. Однако область применения подобных структур ограничена низкими температурами магнитного упорядочения ферромагнетика (например, для EuS Тс=16 К). В связи с этим представляется возможным использовать в качестве спинового инжектора тройные ферромагнетики - шпинели типа II-Cr2-VI4, для которых температуры Кюри на порядок выше. При этом подбор идеальных пар с использованием подобных материалов требует детальных сведений об особенностях их термического расширения, особенно в области магнитного упорядочения.
К периоду формирования целей и задач настоящей диссертационной работы были исследованы некоторые теплофизические характеристики халькопиритов I-III-VI2 и шпинелей II-Cr2-VI4. Однако большинство исследований носило эмпирический характер, в них отсутствовал анализ формирования особенностей объемного и линейного термического расширения.
Целью настоящей работы явилось исследование процессов формирования особенностей термического расширения многокомпонентных электронных материалов - некоторых халькопиритов 1-III-VI2 и шпинелей II-Cr2-VI4.
Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи:
-
Провести анализ структурных и физических характеристик халькопиритов I-III-VI2 и шпинелей И-Сг2-УІ4, возможностей их применения в современной наноэлектронике и спинтронике.
-
Выявить основные физические факторы, формирующие особенности термического расширения халькопиритов I-III-VT2 и шпинелей Н-Сг2-VI4.
-
Провести компьютерное моделирование коэффициентов термического расширения шпинелей 11-Сг2-УІ4 с учетом решеточного и магнитного вклада.
-
Провести компьютерное моделирование коэффициентов термического расширения халькопиритов I-III-VI2 с учетом анизотропии колебаний атомов их кристаллических решёток.
Достоверность полученных данных подтверждается хорошим совпадением экспериментальных и расчётных данных параметров, характеризующих термическое расширение исследуемых полупроводников. Экспериментальные данные взяты из литературных источников.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые проведены исследования процессов формирования особенностей термического расширения многокомпонентных электронных материалов - халькопиритов I-1II-VI2 (где I = Си, Ag, III = In, Ga, VI = S, Se, Те) и шпинелей II-Cr2-VI4 (где II = Cd, Hg, VI = S, Se).
Разработана компьютерная модель и рассчитаны решеточный и магнитный вклады в термическое расширение CdCr2S4, CdCr2Se4, HgCr2Se4 в парамагнитной и ферромагнитной областях температур.
Разработана компьютерная модель и вычислены положительные и отрицательные анизотропные коэффициенты термического расширения CuInS2, CuInSe2, CuInTe2, CuGaS2, AgGaSe2, CuGa(SxSei.x)2 с учетом особенностей их колебательных и зонных спектров.
Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные автором аналитические исследования могут быть использованы для научно-обоснованного создания новых гетерофазных материалов наноэлектро-ники и спинтроники - гетероструктур и сверхструктур на основе халькопиритов I-III-V12 и шпинелей II-Cr2-Vl4.
Разработаны методики компьютерного моделирования аномального термического расширения многокомпонентных электронных материалов, обусловленного магнитным упорядочением или анизотропией межатомного потенциала.
Проведенные исследования позволяют прогнозировать использование изученных материалов в качестве компонента эффективных пар гетерост-руктур (сверхрешеток) с малым рассогласованием постоянных кристаллических решеток.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
В области температур выше точки Кюри термическое расширение CdCr2S4, CdCr2Se4, HgCr2Se4 определяется решеточным вкладом. Этот вклад обусловлен среднеквадратичными отклонениями атомов в ангармоническом приближении.
-
В области магнитного упорядочения термическое расширение CdCr2S4, CdCr2Se4, HgCr2Se4 обусловлено как решеточным, так и магнитным вкладом. Магнитный вклад связан с объемной магнитострикцией и определяется как среднеквадратичными отклонениями атомов в ангармо-ішческом приближении, так и особенностями обменных взаимодействий.
-
Анизотропия коэффициентов термического расширения CuInS2, Cu-InSe2, CuInTe2, CuGaS2, AgGaSe2 связана с ангармоническими особенностями их колебательных спектров, в частности, вкладами оптических колебательных мод Г 5 и Г 5. Отрицательный знак коэффициентов возникает
при усилении вклада оптической колебательной моды Г 5 .
4. Положительный знак коэффициентов термического расширения
твердых растворов CuGa(SxSei.x)2 (х = 0...1) связан с доминирующим
вкладом оптической колебательной моды Г 5.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 7 научных конференциях, в том числе на Международной научно-технической школе-конференции «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, 2003), Международной конференции по математическому моделированию в образовании, науке и бизнесе (Тирасполь, Молдавия, 2003), 2-й и 3-й Международных конференциях по физике электронных материалов (Калуга, 2005 и 2008), Международной конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» INTERMATIC-2006 (Москва, 2006), 2-й Теренинской научно-практической конференции «Взаимодействие света с веществом» (Калуга, 2006), 3-й Международной конференции «Актуальные проблемы современного естествознания» INTERNAS-2007 (Калуга, 2007). По материалам диссертации опубликовано 11 работ. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора заключается в конкретизации решаемых задач, определении методов и подходов к их решению, обработке и обобщении полученных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения (общих выводов), библиографического списка из 136 наименований, приложений. Она содержит 151 машинописную страницу, включая 54 рисунка и 31 таблицу.
