Введение к работе
Актуальность темы
Почти все замечательные свойства полупроводников, определившие быстрое развитие современной электроники, обязаны с одной стороны глубокой очистке полупроводниковых кристаллов, а с другой легированию их регулируемой дозировкой примесных атомов. Поэтому изучение различных аспектов состояния и поведения точечных дефектов (примесей, вакансий, межузельных атомов и антиструктурных дефектов) является чрезвычайно актуальной научной и технической проблемой, которая с течением времени только расширяется и углубляется. Современное развитие микроэлектроники заставляет обратить особое внимание на малое и даже на единичное количество дефектов, способное привести к выходу из строя полупроводникового прибора. А создание новых материалов, сочитающих в себе как транспортные, так и магнитные свойства электронов внутри одного кристалла (разбавленные магнитные полупроводники), является важнейшей проблемой современной физики.
В технике применяют не идеальные, а реальные кристаллы, отличительной особенностью которых является присутствие в них разнообразных дефектов, так как с термодинамической точки зрения появление дефектов в кристаллической решетке неизбежно. Чтобы выявить дефекты и принять меры для нейтрализации их вредного влияния или развить их полезные свойства, необходимо ясно представлять процессы дефектообразования, а также сопутствующие электронные процессы. В настоящее время достигнут большой прогресс в исследованиях твердых тел, основываясь на фундаментальных квантовомеханических представлениях. Разработанные эффективные методы и вычислительные мощности современных компьютеров дают возможность проводить расчеты электронной структуры и термодинамических свойств достаточно сложных систем, задаваясь только атомными номерами элементов и кристаллической структурой.
Первопринципные расчеты позволяют с достаточной точностью определить макроскопические свойства исследуемой системы и дают описание механизма химической связи на уровне электропной структуры, параметров межатомных взаимодействий, показывают взаимосвязь микроскопических и макроскопических характеристик системы. Используя современные методы зонной теории, основанные на теории функционала плотности, можно исследовать различные нарушения идеальной кристаллической структуры, такие как вакансии, точечные дефекты замещения, внешние и внутренние поверхности раздела, поверхностную энергию, работу выхода,
^——И— WI— ill*
1 Г9РЖ \
поверхностные сегрегации, магнитные свойства и многое другое.
Цель работы
1. Исследование энергетики собственных точечных дефектов в арсениде галлия с
помощью первопринципных расчетов.
2. Теоретическое исследование магнитных и термодинамических свойств
полупроводниковых соединений содержащих примесные атомы Зсі-металлов. Изучение
влияния собственных точечных дефектов соединения на физические свойства
материала.
3. Исследование из первых принципов термодинамической стабильности богатых
железом сплавов Fe^Si^ и соединения FeSi под высоким давлением.
Научная новизна
В работе получен ряд новых результатов о термодинамических и магнитных свойствах полупроводниковых соединений, в частности вычислены энергии образования собственных точечных дефектов и энергии растворения примесей переходных металлов в арсениде галлия. Показано, что примеси переходных металлов, за исключением Ni, предпочтительно замещают галлиевые узлы. Рассчитаны магнитные моменты примесных атомов в зависимости от химического окружения. Показано, что атомы Мп имеют тенденцию к образованию кластеров в скомпенсированном GaAs. На основе первопринципных расчетов предложены способы повышения Тс для GaAs с Зсі-примесями. Дано теоретическое объяснение экспериментально наблюдаемого фазового расслоения в системе Fe-FeSi при высоком давлении.
Практическая значимость работы
В работе методами современной физики твердого тела исследована энергетика процесса дефектообразования в GaAs, определены предпочтительные позиции расположения примесей переходных металлов в полупроводнике и изучены магнитные моменты примесных атомов в зависимости от химического окружения. Предсказана возможность образования кластеров Мп в арсениде галлия. Исследована зависимость температуры Кюри полупроводникового соединения от типа легирующих атомов и от их концентрации. Изучено влияние собственных точечных дефектов соединения на температуру Кюри. На основе расчетов дано объяснение современным экспериментальным данным и сделаны конкретные предсказания о направлении
поиска новых материалов с заданными физическими свойствами.
Основные научные положения, выносимые на защиту
1. Энергия образования собственных точечных дефектов и энергия растворения
примесей переходных металлов в арсениде галлия, определенные на основе
первопринципных расчетов с использованием метода локально самосогласованной
функции Грина, являющегося обобщением приближения когерентного потенциала. На
основе рассчитанных энергий, которые находятся в хорошем согласии с имеющимися
экспериментальными данными, сделан вывод о том, что основным собственным
дефектом в GaAs является антиструктурный дефект ASGA- Примесные атомы 3d-
металлов предпочтительно замещают галлиевые узлы. Исключение составляет примесь
Ni, которая отдает предпочтение тетраэдрическим междоузлиям.
2. Магнитные моменты примесных атомов в зависимости от химического окружения.
Теоретическая оценка энергии магнитного упорядочения Зл-примесей в GaAs, из
которой сделаны выводы о том, что наиболее стабильный ферромагнитный порядок
наблюдается в соединениях арсенида галлия с примесями Мп и Сг. Сплав (Ga,Fe)As
является парамагнитным, что подтверждено в недавней экспериментальной работе.
Совместное легирование арсенида галлия атомами Мп и Сг показало, что атомы
примеси компенсируют друг друга и, тем самым, понижают температуру Кюри.
Наличие антиструктурных дефектов AsG,, в соединении (Ga,Mn)As также приводит
к переходу от насыщенного ферромагнитного состояния к разупорядоченному
магнитному состоянию.
3. Результаты теоретического исследования поведения сплава Fe-Si в условиях
высокого давления. Установлено, что под давлением сплав стремится к расслоению
на чистое железо и соединение FeSi, имеющее структуру В2. Кроме того, определена
эволюция электронной структуры соединения FeSi под давлением, в результате которой
происходит переход полупроводникового соединения FeSi в металлическое состояние.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях:
1. International Conference on Physics of Semiconductors ICPS-25, September 2000,
Japan.
-
Annual American Physical Society March Meeting 2003, March 3-7, 2003.
-
International Workshop on Diluted Magnetic Semiconductors, June 12-14 2003, CE-
CAM, Lyon
4. International Conference on Magnetism, ICM2003, Rome, Italy,2003.
А также на научных студенческих конференциях МИСиС 1998 и 1999 г.г., научных семинарах кафедры теоретической физики МИСиС.
Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
