СОДЕРЖАНИЕ
г
ВВЕДЕНИЕ .............................................................................5
ГЛАВА 1. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОВАЛЕНТНЫХ И ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ КРИСТАЛЛОВ, СПОСОБЫ ИХ МОДЕЛИРОВАНИЯ И МЕТОДЫ КВАНТОВОХИМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА 12
1.1. Методы и модели исследования электронного строения и энергетического спектра многоатомных систем ••••»••«•••••••••«•••••••••»••••••••••••••••«••••••••••••••••••••••««•••••«•••••••••••••••••••в 12
1.2. Кластерные модели кристаллов с дефектами........................................ 23
1.2.1. Модель молекулярного кластера................................................24
1.2.2. Циклические модели...........................................................26
1.3. Квантовомеханические методы расчета многоатомных структур 27
1.3.1. Задача квантовой механики многоатомных структур. Приближения, используемые при ее решении.........................................................27
1.3.2. Приближение Хартри...........................................................29
1.3.3. Принцип Паули. Метод Хартри - Фока...........................................30
1.3.4. Приближение молекулярной орбитали в виде линейной комбинации атомных орбиталей (МО ЛКЛО).................................................................32
1.3.5. Уравнения Рутаана............................................................34-
1.4. Полуэмпирическая расчетная схема МІ^ЛО.......................................... 36
ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР' ДВУМЕРНЫХ ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА А'"-В''.....................................40
2.1. Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения двумерных ионноковалентных структур типа ЛП1-ВУ.....М...............................................40;
2.2. Бездефектные двумерные ионно-ковалентные структуры типа Л,п-Ву...м 45
23. Двумерные ионно-ковалентные структуры типа А|П-ВУ, содержащие дефекты замещения 48
2.3.1. Двумерная структура нитрида бора.............................................49
2.3.2. Двумерная структура нитрида алюминия ........................................53
2.3.3. Двумерная структура фосфида алюминия.........................................56
2.4: Обсуждение результатов 59
2.4.1. Двумерная структура нитрида бора.............................................59
2.4.2. Двумерная структура нитрида алюминия.........................................60
2.4.3. Двумерная структура фосфида алюминия.........................................60
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ДВУМЕРНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА А"-В".............................................62
3.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения двумерных ковалентных структур типа А1У-В1У....................................... ............62
3.2. Бездефектные двумерные ковалентные структуры типа А|У-В1У..«.....................67
3.3. Двумерные ковалентные структуры типа Л''-В1У, содержащие дефекты замещения 70
3.3.1. Двумерная углеводородная структура...........................................71
3.3.2. Кремнийуглсводородная структура..............................................74
3.4. Обсуждение результатов ........................................................ 77
3.4.1. Двумерная углеводородная структура...........................................77
3.4.2. Двумерная кремиийуглеводородная структура....................................79
ГЛАВА 4. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР' ТРЕХМЕРНЫХ ИОННО-КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА А|"-В'/....................................83
4.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения трехмерных ионно-ковалентных структур типа А.-Ву................................................... 83
4.2. Бездефектные трехмерные ионно-коналентнме структуры типа Аш-Ву...................85
4.3. Трехмерные ионно-ковалентные структуры типа Лш-Ву, содержащие дефекты замещения «..90
4.3.1. Нитрид бора..................................................................93
4.3.2. Нитрид алюминия..............................................................94
4.3.3. Фосфид бора..................................................................96
4.3.4. Фосфид алюминия..............................................................97
4.4. Обсуждение результатов 99
4.4.1. Нитрид бора..................................................................99
4.4.2. Фосфид бора.................................................................101
4.4.3. Нитрид алюминия.............................................................104
4.4.4. Фосфид алюминия.............................................................106
ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ТРЕХМЕРНЫХ КОВАЛЕНТНЫХ СТРУКТУР ТИПА А^-В17'.........................................108
5.1: Модели бездефектных и содержащих дефекты замещения трехмерных ковалентных структур типа А1У-В|У........................................... «....108
5.2. Бездефектные трехмерные ковалентные структуры типа А|У-В|У ••••••«•••••••••••»•«в** 108
5.3. Трехмерные ковалентные структуры типа Л*у-В‘\ содержащие дефекты замещения 113
5.3.1. Углеродная структура........................................................113
5.3.2. Крс.миийуглсродная структура................................................117
5.4. Обсуждение результатов 121
5.4.1. Углеродная структура........................................................121
5.4.2. Кремнийуглеродная структура.................................................123
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Создание новых конструкционных материалов для. приборов радиоэлектроники, микроэлектроники, а также квантовой оптоэлектроники- - одно из важных направлений современного материаловедения. Основу соответствующих материалов составляют, как правило, кристаллы и различные твердотельные структуры.
Как известно, физические свойства кристаллов определяются их геометрическим, электронным и энергетическим строением. Введение в кристаллическую структуру дефектов различного типа приводит к модификации электронного строения, энергетического спектра и изменению геометрических параметров, что соответственно влияет на физические свойств кристалла. Поэтому исследование влияния различного типа дефектов на электронное строение и энергетический' спектр кристаллов представляется важной задачей;
Немаловажную роль для практического применения играют ковалентные и ионно-ковалентные кристаллы. Данные кристаллы, в зависимости от типа атомов, состояния поверхности, наличия примесей и дефектов, могут обладать диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами. Изучению свойств данных кристаллов, как чистых, так и содержащих различные дефекты, посвящено немало работ. Однако до сих пор слабо освещена область исследования влияния дефектов замещения различного типа на электронное строение и энергетический спектр одноэлектронных состояний ковалентных и ионно-ковалентых кристаллов. Именно поэтому данный тип кристаллических структур является интересным объектом для исследования.
Эксперименты по изучение физических свойств кристаллов с дефектами довольно сложны и дорогостоящи. В связи с этим моделирование и квантовохимическое исследование твердотельных структур с локальными дефектами представляется актуальным. Результаты подобных исследований
позволяют проводить целенаправленный поиск новых материалов микроэлектронной техники, а также объяснять и предсказывать различные наблюдаемые физические явления.
Целыо исследования является моделирование и квнтовохимическое исследование влияния различных дефектов замещения на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных кристаллических структур типа Л1У-В1У и Аш-Ву.
При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Проведен поиск и анализ моделей, методов и расчетных схем, наиболее подходящих для исследования влияния дефектов на электронное строение и энергетический спектр выбранных структур.
2. Изучено влияние размера молекулярного кластера, состоящего из различных атомов и содержащего различные дефекты замещения,, на адекватность получаемых результатов. Найдены оптимальные размеры кластеров для построения моделей различных типов структур.
3. Исследована модификация электронного строения и спектра одноэлектронных состояний ионно-ковалентных структур типа Аш-В при введении атомов одиночных дефектов замещения из III, IV и V групп.
4. Изучено влияние парных дефектов замещения из IV группы и групп замещения 01и-Су на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ионно-ковалентных структур типа АШ-ВУ.
5. Исследована модификация электронного строения и спектра одноэлектронных состояний ковалентных структур типа А1У-В1У при введении атомов одиночных дефектов замещения из III, IV и V групп..
6. Изучено влияние парных дефектов замещения из IV группы и групп замещения Ош-Су на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ионно-ковалентных структур типа А1У-В1У.
7. Изучено влияние поверхностных групп на электронное строение и спектр одноэлектронных состояний ионно-ковалентных двумерных углеводородных структур.
Научная новизна работы заключается в том, что:
- Построены квазимолекулярные модели ковалентных и ионноковалентных двумерных и трехмерных твердых тел, качественно правильно отражающие энергетический спектр электронов и пригодных для модифицирования путем введения дефектной ячейки, влияние на которую граничных условий кластера незначительно.
- Выяснено влияние одиночных атомов дефекта замещения и двухатомных групп замещения на электронную структуру и спектр одноэлектронных состояний двумерных и трехмерных структур типа А1У-В|У и Аш-Ву.
- Установлена степень локальности различных дефектов замещения в исследуемых структурах.
- Проведен анализ электрофизических характеристик двумерных и трехмерных рассмотренных- твердотельных структур, обусловленных дефектами различных типов.
Практическая ценность работы.
Результаты, полученные при исследовании влияния различного типа дефектов замещения на энергетическое строение двумерных и трехмерных структур, дают возможность целенаправленного подхода к
конструированию материалов для микроэлектронных приборов.
Результаты работы использованы в: госбюджетной научно-
исследовательской работе (тема № 29.230 «Исследование взаимодействия электромагнитных волн и электронных потоков со средами и изучение характеристик мишеней»), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и
поисковых работ Министерства образования РФ, и включены в курс лекций по дисциплине «Физика конденсированного состояния вещества»- для студентов специальности 01.04.00 - Физика.
Достоверность результатов следует из корреляции' полученных параметров с экспериментальными данными и сопоставимости некоторых из результатов с данными, полученными и апробированными другими исследователями.
Основные положения и результаты выносимые на защиту.
1. Разработка кластерной модели двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных твердых тел с локальными дефектами замещения.
2. Результаты расчета электронного строения-и энергетического спектра двумерных и трехмерных ковалентных и ионно-ковалентных структур типа А1У-В-У и Аш-Ву, содержащих локальные дефекты замещения в форме одиночных атомов и дефектных групп.
3. Исследование влияния локальных дефектов замещения на. спектр одноэлектронных состояний рассмотренных структур.
4. Выяснение типов дефектов, приводящих к наиболее существенному изменению структуры энергетического спектра электронов, а следовательно, и на. зависящие от них электрофизические характеристики.
5. Результаты анализа изменения ширины запрещенной щели трехмерных ионно-ковалентных структур в зависимости от типа и количества атомов замещения.
Достоверность результатов следует из наличия корреляции рассчитанных характеристик с экспериментальными данными, а также результатами, полученными и апробированными другими исследователями.
Апробация-результатов. Результаты исследования докладывались на научных семинарах кафедры Физики ВолгГТУ (2001-2002 гг.), на V и VI межвузовской конференции студентов и молодых ученых Волгограда и
9
Волгоградской области (2000 г. - 2002 г.), на V Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2000 г.)
Публикации:
1. Литинский А.О., Жуков С.С. Модельный МЫОО - расчет электронного строения и энергетического спектра двумерных ковалентных структур с локальными дефектами //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та. Сер.1: Математика. Физика. 1999. Вып. 4, с. 162.
2. Литинский А.О., Жуков С.С., Электронное строение и энергетический спектр двумерных ковалентных структур на основе кремний- и германий- водородов. Модельные МО ЛКАО расчеты //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та. Сер.1: Математика. Физика. 2001. Вып. 6, с.131.
3. Литинский А.О., Жуков С.С., Лебедев Н.Г., Электронное строение и энергетический спектр двумерных ионно-ковалентных структур на основе кремнийуглеводородов, нитрида бора, нитрида алюминия и фосфида алюминия- //Вестник Волгоградского госуд. ун.-та., 2003 г. Вып. 8
4. Литинский А.О., Жуков С.С., Особенности спектра одноэлектронных состояний полупроводниковых и диэлектрических двумерных ковалентных и ионно-ковалентных структур, модифицированных введением локальных дефектов //Электромагнитные волны и электронные системы, 2004, т.9, №2, с.47-51..
5. Жуков С.С. Моделирование и квантовохимический расчет электронных и энергетических характеристик в полупроводниковых материалах, содержащих донорные и акцепторные центры // Техническая
10
кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. V всероссийская научная конференция студентов и аспирантов, Таганрог, 12-13 октября 2000 г.: Тез. докл./ изд. 11 РУ - Таганрог 2000. - с.51.
6. Жуков С.С. Модельный расчет электронного строения и энергетического спектра локальных дефектов в двумерных ковалентных структурах //V межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области, Волгоград, 21-24 ноября 2000 г.: Тез. докл./ изд. ВолгГУ. - Волгоград, 2002. - Выпуск 4, Физика и математика, с.23.
7. Жуков С.С. Изучение спектра одноэлектронных состояний двумерных ковалентных структур на основе кремний- и германийводородов при помощи модельных расчетов //VI межвузовская конференция студентов и молодых ученых г. Волгограда и Волгоградской области, Волгоград, 13-16 ноября 2001 г.: Тез. докл./ изд. ВолгГУ. - Волгоград, 2002. -Выпуск 4, Физика и математика, с.28.
8. Жуков С.С., Литинский А.О. Электронное строение и энергетический спектр двумерных ковалентных структур с локальными дефектами // Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике, С.-Петербург, 30 нояб.-З дек. 1999 г.: Тез. докл./ изд СПбГТУ. - С.П.,1999, с.117.
9. Жуков С.С., Иваненко О.И., Литинский А.О. Моделирование и-квантовохимический расчет двумерных периодических структур с дефектами // Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", Нижний Новгород, 3-4 февраля 2000 г. Тез.докл. 2000 г.
10. Жуков С.С., Литинский А.О Спектр одноэлектронных, состояний двумерных ковалентных и ионно-ковалентных структур с локальными дефектами- //Девятая Всероссийская* научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Красноярск, 28.03.2003-3.04.2003 г.
11
Тез.докл.: В 2 т. Т.1 - Екатеринбург-Красноярск: Издательство АСФ России,2003 г., с. 157-159.
11. Жуков С.С., Литинский А.О Электронное строение и спектр одноэлектронных состояний электронов в ковалентных кристаллах с локальными дефектами/ЛГезисы докладов юбилейного смотра-конкурса научных, конструкторских и технологических работ студентов Волгоградского государственного технического университета, Волгоград, 15-17 мая 2000 г.: Тез. докл./ РПК, Политехник. - Волгоград, 2000.-с. 10.
- Київ+380960830922