Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных направлений материаловедения является создание новых конструкционных материалов для приборов микро- и наноэлектроники. Основу соответствующих материалов составляют, как правило, различные твердотельные структуры. Известно, что физические свойства кристаллов зависят от типа их симметрии, электронного и энергетического строения. Различные поверхностные дефекты (ПД) существенно влияют на энергетический спектр и электронное строение, что приводит к изменению физических свойств кристалла. Поэтому исследование влияния ПД на электронное строение и энергетический спектр кристаллического объекта является важной задачей.
Ковалентные кристаллы, в зависимости от их типа и геометрического строения составляющих их атомов, наличия различных дефектов, могут быть как полупроводниками, так и диэлектриками. Изучению физических свойств ковалентных кристаллов посвящено много работ, однако до сих пор в литературе не достаточно освящены темы, посвященные изучению электронного строения и структуре энергетического спектра электронов в кристаллах, содержащих дефекты замещения на их поверхности. Поэтому кристаллы с ПД являются интересными объектами для исследования.
Экспериментальное исследование электрофизических характеристик кристаллических твёрдых тел достаточно трудоёмко, поэтому квантовохимическое моделирование и квантовомеханическии расчёт позволяют сузить поиск подходящих материалов для микро- и наноэлектроники, а также прогнозировать электрофизические и другие свойства кристаллов, модифицированных различными ПД.
Целью диссертационной работы является моделирование и квантовохимическое исследование влияния различных ПД в двумерных ковалентных структурах1) (ДКС) на их электронное строение и энергетический спектр одноэлектронных состояний (ЭСОС).
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
Проведен поиск моделей и расчётных схем, наиболее подходящих для исследования влияния ПД на электронное строение и энергетический спектр ковалентных и ионно-ковалентных структур.
Изучено влияние размеров кластерной модели на адекватность получаемых результатов. Найдены оптимальные размеры кластера, в которых заряды на «объёмных» атомах ДКС отличаются от нуля не более чем на 0,05е.
Проведены полуэмпирические расчеты моделей ДКС с различными поверхностными покровами и исследованы их ЭСОС.
Проведено исследование электронного строения и ЭСОС ковалентных и ионно-ковалентных структур с гидридным, гидроксидным, фторидным и аминным поверхностными покровами (ПП), а также с локальными дефектами замещения Н-, Э-Н, О-Н-групп в Н- и О-Н- ПП с
4 К двумерным относятся периодические структуры, не ограниченные в двух измерениях, и имеющие конечный размер в третьем измерении («кристаллический слой»).
использованием квазимолекулярных моделей и неэмпирических (теория функционала плотности) и полуэмпирических (MNDO-PM3) квантовохимических расчетных схем. 5. Исследовано влияние на ЭСОС ДКС с гидридным покровом локальных дефектов замещения Э-Н групп на функциональные группы, содержащие атомы 3d - элементов. Научная новизна работы заключается в том, что:
Построены квазимолекулярные модели а) кластера с замыканием «боковых» связей одновалентными псевдоатомами, б) кластера с циклическими граничными условиями для двумерных ковалентных структур - идеальных и с поверхностными локальными дефектами.
Установлены положения уровней энергии электронов в состояниях, обусловленных локальными поверхностными дефектами в ДКС, относительно границ зон занятых и свободных состояний бездефектной структуры.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные при исследовании особенностей энергетического спектра электронов, обусловленных элементами поверхности ДКС, могут быть использованы для целенаправленного поиска конструкционных материалов микро- и наноэлектронных устройств с требуемыми электрофизическими характеристиками.
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»), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и поисковых работ.
Личный вклад автора.
Автором построены модели исследуемых ДКС, проведён их квантовохимический расчёт и анализ полученных результатов.
Достоверность результатов следует из корреляции некоторых из полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными, а также определяется ранее установленной достоверностью результатов, полученных с применением аналогичных расчётных схем к изучению экспериментально исследованных многоатомных систем.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Модели кластеров а) в форме расширенной элементарной ячейки с замыканием «боковых» связей одновалентными псевдоатомами, б) с циклическими граничными условиями, построенные для ДКС с Н-, 0-Н-, F -, NH2- поверхностными покровами, а также с локальными дефектами замещения в Н- и О-Н- покровах.
Результаты исследования электронного строения и энергетического спектра двумерных структур, с поверхностными покровами, а также с локальными дефектами замещения на их поверхности.
3. Установление типов дефектов, приводящих к наиболее существенному
изменению структуры энергетического спектра электронов, а,
следовательно, и на зависящие от них электрофизические характеристики
ДКС с различными поверхностными покровами.
Апробация результатов. Результаты исследования докладывались на
научных семинарах кафедры физики ВолгГТУ (Волгоград, 2006-2007гг.), на
конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград,
2005, 2007г.), 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 региональном конкурсе научных работ «Молодые
учёные - родному краю» (Волгоград, 2007г., диплом II степени).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, одна из которых из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объём. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 76 наименований. Общий объём диссертационной работы составляет 105 страниц, включая 21 рисунок и 16 таблиц.
