Введение к работе
Актуальность темы
Полупроводниковые псевдобинарные твердые растворы (ТР) AxBi.xC, например, AlxGai.„As и CdxHg!.xTe широко применяются в микро- и опто-электронике. Как известно [1-3], многие ТР не являются случайными сплавами - существует определенная корреляция в заполнении узлов подрешетки с замещением. Эту неслучайность в размещении разных изовалентиых атомов называют ближним порядком. В рамках представления о парном взаимодействии атомов А и В (через атомы С), ближний порядок может быть одного из двух типов:
-
кластерообразование, т.е. преимущественное соседство в подрешетке с замещением одинаковых атомов (А либо В);
-
упорядочение, т.е. тенденция к чередованию атомов А и В - ближайших соседей по подрешетке.
Твердые растворы с ближним порядком первого типа имеют тенденцию к распаду, что, в конечном счете, проявляется в неоднородности свойств материала. Ближний порядок второго типа приводит к особенностям в электронных спектрах твердых растворов: изменению ширины запрещенной зоны, расщеплению подзон валентной зоны и др. [4]. При современном уровне развития технологии изготовления приборов, когда необходимо учитывать тонкие особенности строения твердых растворов, подобные эффекты играют важную роль.
Предсказать тип и степень ближнего порядка при получении твердого раствора по той или иной технологии заранее сложно. Необходимо создание теоретических моделей строения твердых растворов замещения, которые бы позволили, и попять механизм влияния ближнего порядка на физические свойства твердых растворов, и получить критерии для его экспериментального обнаружения.
Наиболее чувствительны к коррелированному беспорядку в твердых растворах колебания решетки, а основными экспериментальными методами их исследования являются комбинационное рассеяние света на фононах и спектроскопия отражения в дальнем ИК-диапазоне. Экспериментально регистрируемые в этих методах величины (например, сечение комбинационного рассеяния) определяются для ТР спектральной плотностью фононных состояний. Следовательно, расчет этого параметра для модельных твердых растворов с ближним порядком должен выявить влияние последнего на особенности спектров комбинационного рассеяния и ИК-отражения.
Однако, несмотря на значительный интерес к расчету колебательных спектров различных кристаллов, в том числе и сложных полупроводниковых соединений [5,6], работы, посвященные изучению ближнего порядка в твердых растворах через ихфононные спектры в литературе практически отсутствуют.
В связи с вышеизложенным, основной целью настоящей диссертационной работы являлось исследование влияния ближнего порядка в полупро-
водниковых псевдобинарных твердых растворах на их колебательные свойства.
Для достижения цели работы необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать одно-, двух - и трехмерные модели псевдобинарных твердых растворов с ближним порядком различного типа.
-
Рассчитать полную и спектральную плотности фонониых состояний, а также ряд других величин, характеризующих колебательные свойства модельных псевдобинарных твердых растворов с ближним порядком.
-
Провести экспериментальные исследования колебательных свойств твердого раствора CdxHgi.xTe методами спектроскопии ИК-отражения и комбинационного рассеяния света для определения возможности диагностики ближнего порядка посредством исследования фононных мод.
Научная новизна работы
-
Впервые проведены прямые численные расчеты полной и спектральной плотности фононных состояний для одномерной и двумерной моделей псевдобинарных твердых растворов с ближним порядком в рамках изотопического приближения.
-
Впервые для фононов использована схема метода когерентного потенциала, позволившая учесть влияние ближнего порядка при вычислении полной и спектральной плотности состояний трехмерных твердых растворов замещения.
-
Показано, что ближний порядок типа кластерообразование приводит к смещению фундаментальных мод в спектрах комбинационного рассеяния света и ИК-отражения вверх по частоте. Влияние ближнего порядка упорядочения на указанные спектры проявляется через возникновение дополнительных мод, связанных с фрагментарной новой периодичностью.
-
Впервые проведены численные исследования влияния ближнего порядка на локализацию фононных мод в твердых растворах замещения (одномерная и двумерная модели без учета кулоновского взаимодействия). Показано, что кластерообразование в двумерном твердом растворе способствует делокали-зации основных фононных мод.
-
Учет кулоновского взаимодействия в двумерной модели твердого раствора позволил предложить новый критерий оценки степени локализации полярных фононных мод по функции распределения локального поглощения электромагнитного излучения, возбуждающего колебания решетки.
Лрактичгская значимость
1. Проведенные численные расчеты колебательных свойств модельных одномерных и двумерных твердых растворов замещения с ближним порядком, а также расчеты спектральной плотности фононных состояний для трехмерных твердых растворов с учетом ближнего порядка методом когерентного потенциала позволили предложить способ диагностики ближнего порядка в твердых растворах по их спектрам комбинационного рассеяния и ИК-отражения.
-
Развитые модельные представления для расчета колебательных свойств двумерных твердых растворов замещения позволяют учитывать влияние шероховатости поверхности и беспорядка формы нанокристаллов на их спектры комбинационного рассеяния.
-
Разработанные модели двумерных псевдобинарных твердых растворов и алгоритм моделирования LO-TO расщепления, позволяющие рассчитывать их колебательные свойства, могут быть использованы для описания фононов в самоорганизующихся квантовых точках, формирующихся при субмонос-лойиом гетероэпитаксиальном осаждении.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Ближний порядок типа кластерообразования в псевдобинарных твердых растворах АХВ).ХС, демонстрирующих двухиодовое оптическое поведение, оказывает значительное влияние на их колебательные свойства, приводя к сдвигу основных LO- и ТО-фононных мод спектральной плотности фо-нонных состояний по отношению к их положению для случайного ТР вверх или вниз по частоте в зависимости от знака дисперсии фононов исходных бинарных соединений.
-
Ближний порядок типа упорядочения в псевдобинарных твердых растворах, демонстрирующих двухмодовое оптическое поведение, приводит к двойному эффекту: с одной стороны, вызывает смещение основных мод спектральной плотности фононных состояний в направлении, противоположном случаю кластерообразования, с другой стороны, способствует появлению дополнительных мод в обеих, АС-подобной и ВС-подобной, оптических зонах.
-
Кластерообразование в одномерных псевдобинариых твердых растворах способствует появлению тенденции к делокализации некоторых акустических и оптических мод, но, строго говоря, делокализованные моды при этом не наблюдаются. Парная же корреляция в одномерном псевдобинарном ТР (дефекты пары) приводит к появлению отдельных делокализован-ных мод в нижней части акустической и оптической зон колебательных состояний, как это имеет место для возбуждений другой природы (например, электронных).
-
Спепень локализации основных фононных мод, и в случайных, и в кластеризованных двумерных псевдобинарных твердых растворах (с двухмо-довым оптическим поведением) сильно зависит от состава "х" в модели без кулоновского взаимодействия атомов. Существенное влияние на степень локализации оказывает ближний порядок. Например, кластерообразование способствует делокализации основных фононных мод. В модели с кулоновским взаимодействием (полярные кристаллы) степень локализации фононных мод ниже и влияние ближнего порядка на нее невелико.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на XVI международной конференции по ИК и миллиметровым волнам (Лозанна, Швейцария, 1991), IV международной конференции "Компьютеры в физике" (Прага, Чехословакия, 1992), I Российской конференции по физике полупроводников
(Н.Новгород, 1993), VI Европейской школе по МОС эпитаксии и родственным технологиям (Гент, Бельгия, 1995), II Российской конференции по физике полупроводников (С.-Петербург, 1996), VII международной конференции по материалам А2В6 (Эдинбург, Великобритания, 1996), XVI Научных чтениях имени академика Н.В.Белова (Н.Новгород, 1997), XXIV международной конференции по физике полупроводников (Иерусалим, Израиль, 1998), Ев-рофизической конференции по компьютерной физике (Гранада, Испания, 1998), Весеннем совещании Американского Материаловедческого Общества (Сан-Франциско, 1999), на конференции "Структура и свойства твердых тел" (Н.Новгород, 1999 г.).
Публикации
Основное содержание диссертации отражено в 19 работах, из них 8 публикаций в научных журналах и сборниках, 11 публикаций в материалах Российских и международных конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, пяти приложений и списка цитируемой литературы.
Похожие диссертации на Влияние ближнего порядка на колебательные свойства псевдобинарных твердых растворов
