Введение к работе
Актуальность темы. Локальные внутриобъемные дефекты в полупроводниковых и диэлектрических кристаллах играют важную роль в физическом материаловедении, поскольку они модифицируют спектр одноэлектронных состояний соответствующих кристаллов. Последний, в свою очередь, обуславливает электрофизические параметры твердых тел, которые путём введения локальных внутриобъемных дефектов можно варьировать с целью конструирования на их основе новых элементов электронной техники. Поэтому исследование влияния локальных внутриобъемных дефектов на электронное строение и энергетический спектр кристаллического объекта является важной задачей.
Многообразие свойств ковалентных и ионно-ковалентных кристаллов обуславливает их широкое применение в приборах и устройствах различного технического назначения. Электрофизические свойства ковалентных и ионно-ковалентных кристаллов к настоящему времени хотя и в значительной степени изучены, однако имеется мало исследований, посвященные изучению электронного строения кристаллов, содержащих различные локальные внутриобъемные дефекты замещения. Поэтому исследование кристаллов такого типа с локальными внутриобъемными дефектами является актуальной задачей физической электроники.
Электронно-энергетические характеристики многоатомных систем можно оценить исходя из электронной волновой функции рассматриваемого объекта. Чтобы получить требуемую волновую функцию, необходимо решить уравнение Шредингера для соответствующей системы. Точное решение уравнения Шредин-гера возможно только для относительно простейших систем. Для многоэлектронных же систем волновые функции могут быть получены лишь при использовании тех или иных приближений: одноэлектронное, валентное и адиабатическое; пренебрегают интегралами некоторых взаимодействий; используют экспериментальные данные, корректирующие параметры в соответствующих уравнениях.
Целью диссертационной работы является моделирование и квантовохими-ческое исследование влияния различных локальных внутриобъемных дефектов замещения в ковалентных и ионно-ковалентных структурах на их электронное строение и спектр одноэлектронных состояний.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведен анализ моделей и расчётных схем, наиболее подходящих для исследования влияния локальных внутриобъемных дефектов замещения на электронное строение и энергетический спектр ковалентных и ионно-ковалентных структур.
Исследовано влияние размеров кластерной модели ковалентных и ионно-ковалентных кристаллов на рассчитываемые характеристики изучаемых систем. Установлены оптимальные размеры кластера, при которых эти характеристики достигают сходимости.
На основе полуэмпирических расчетов высокосимметричных моделей ковалентных структур с различными локальными внутриобъемными дефектами исследован их энергетический спектр электронов.
На основе сравнительного MNDO-PM/3 -расчета высокосимметричных моделей квазисферических орбитально-стехиометрического кластера и кластера с компенсацией оборванных валентностей проанализированы электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ковалентных и ионно-ковалентных структур с разными типами локальных внутриобъемных дефектов замещения.
В рамках неэмпирических расчетных схем и высокосимметричных кластерных моделей изучены особенности электронно-энергетического строения ковалентных и ионно-ковалентных структур с локальными внутриобъемными дефектами замещения.
На основе результатов расчета высокосимметричных кластерных моделей в рамках вычислительной схемы теории функционала плотности проанализированы особенности энергетического спектра электронов кристаллического германия с дефектами замещения атомами переходных элементов.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Построены высокосимметричные квазимолекулярные модели а) кластера с замыканием нескомпенсированных связей одновалентными псевдоатомами, б) орбитально - стехиометрического кластера.
Проведенный анализ зарядового распределения позволил определить оптимальный размер кластерной высокосимметричной модели.
Проанализировано влияние различных видов локальных внутриобъемных дефектов замещения на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний типичных ковалентных и ионно-ковалентных структур, моделируемых высокосимметричными квазисферическими кластерами.
Проведен сравнительный анализ электронно-энергетических характеристик типичных ковалентных и ионно-ковалентных структур, рассчитанных в рамках моделей орбитально-стехиометрического кластера и молекулярного кластера с замыканием оборванных валентностей атомами водорода.
Рассчитаны плотности одноэлектронных состояний кристаллического германия идеального и с локальными внутриобъемными дефектами замещения атомами переходных элементов. Для структур с различными мультиплетностями сделан вывод о том, каким значениям мультиплетности соответствуют более стабильные структуры.
Практическая ценность работы
Результаты, полученные при исследовании влияния различного типа локальных внутриобъемных дефектов замещения на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний тетраэдрических кристаллов, дают возможность целенаправленного поиска конструкционных материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками для микро- и наноэлектронных устройств.
Внедрение результатов работы
Работа выполнялась в рамках научно-исследовательской работы (тема 29.330: «Исследование взаимодействия потоков заряженных частиц и электромагнитных волн со средами включая биологические»), проводимой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и поисковых работ.
Личный вклад автора
Диссертантом построены высокосимметричные (квазисферические) модели тетраэдрических структур, проведён их квантовохимическии расчёт и совместно с научным руководителем проанализированы полученные результаты.
Достоверность результатов следует из корректности используемых кванто-вохимических расчетных схем и корреляции некоторых из полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Модели высокосимметричных квазисферических кластеров, в форме а) молекулярного кластера с замыканием концевых связей одновалентными псевдоатомами и б) орбитально-стехиометрического кластера, построенные для тетраэдрических кристаллов, как идеальных, так и с локальными внутриобъемными дефектами замещения.
Особенности электронного строения и спектр одноэлектронных состояний тетраэдрических кристаллов, идеальных и с локальными внутриобъемными дефектами замещения.
В рамках модели орбитально-стехиометрического кластера ситуация возникновения донорных состояний в запрещенной энергетической щели передается более правильно, чем в случае молекулярного кластера с замыканием оборванных валентностей одновалентными псевдоатомами.
Среди структур кристаллического германия с дефектами замещения атомами переходных элементов более стабильными являются структуры с такой мульти-плетностью, при которой энергия верхнего занятого состояния является более глубокой.
Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались на научных семинарах кафедры физики ВолгГТУ (Волгоград, 2006-2007гг.), на конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2005г.), на Международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2005, 2007г.), на двенадцатой Всероссийской конференции студентов-физиков и молодых учёных (Новосибирск, 2006г.), на Международной научно - технической конференции «Наука и образование - 2006» (Мурманск, 2006г.), на международной конференции «Микроэлектроника и нано-инженерия» (Москва, 2008г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, одна из которых из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объём. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 129 наименований. Общий объём диссертационной работы составляет 106 страниц, включая 29 рисунков и 8 таблиц.
