Стабільність, зонна структура та оптичні властивості твердих розчинів на основі елементів IV групи - Автореферат

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ ФЕДЬКОВИЧА АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наукСтабільність, зонна структура та оптичні властивості твердих розчинів на основі елементів IV групи. Дисертацію присвячено теоретичному дослідженню структурних властивостей, стабільності, зонної структури, хімічного звязку та оптичних властивостей твердих розчинів заміщення Ge1-XSIX, Ge1-XSNX, Si1-XSNX, Si1-XCX. Структурні властивості та стабільність розраховувались методом класичної молекулярної динаміки(КМД). Електронна зонна структура твердих розчинів розраховувалась методом локального модельного псевдопотенціалу при врахуванні спін-орбітальної взаємодії, композиційної невпорядкованості та неузгодженості постійних ґратки отриманих з проведених КМД розрахунків.У даний час гетероструктури на основі Ge1-XSIX/Si широко використовуються для отримання біполярних гетеротранзисторів, для 1.3-1.55 мкм детекторів оптоволоконних ліній звязку, інфрачервоних детекторів для дворозмірних площинних матриць нічного бачення і термобачення 2-12 мм, інфрачервоних емітерів для чіп-у-чіп оптичного звязку в оптоволоконних комунікаціях, хвильових модуляторах та ін. Це, в першу чергу, наявність критичної товщини, яка понижує термодинамічну стабільність плівки Ge1-XSIX/Si за рахунок появи дислокацій неузгодженості, що значно обмежує можливість створення ІЧ-детекторів на основі Ge1-XSIX по всьому діапазоні х. Внаслідок унікальних електронних властивостей сплави на основі Si, Ge з Sn можуть широко використовуватися в електронних і оптоелектронних гетероструктурах для створення ІЧ-детекторів, а також у лазерній техніці, що для елементів IV групи є новим і надзвичайно перспективним на тлі бурхливого розвитку оптоелектронних комунікацій. ?-С, як відомо, - широкозонний матеріал (?ЕG=5.5ЕВ), що робить його вірогідним кандидатом для синтезу матеріалів на основі Si, що є перспективним напрямком створення оптоелектронних приладів, які працюють у високоенергетичних хвильових діапазонах. Крім того, побудова приладів на основі напівпровідникових матеріалів вимагає детального знання особливостей їх електронної структури, яка є основою для розрахунку і розуміння електричних, оптичних та термодинамічних властивостей. Роль автора у виконанні науково-дослідних робіт полягала в дослідженні структурних властивостей, стабільності, електронної зонної структури, хімічного звязку та оптичних властивостей напівпровідникових твердих розчинів заміщення Ge1-XSIX, Ge1-XSNX, Si1-XSNX, Si1-XCX та плівок на їх основі.У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовані мета та завдання дисертаційної роботи, висвітлено її наукове і практичне значення, подано інформацію про апробацію роботи, публікації автора.З метою апробації моделі було проведено молекулярно-динамічне моделювання елементарних напівпровідників a-C, Si, Ge, a-Sn зі структурою алмазу. Отримавши задовільне узгодження з експериментом структурних та динамічних властивостей елементарних напівпровідників(коефіцієнта лінійного розширення, теплоємностей), було проведено КМД моделювання твердих розчинів на їх основі: Ge1-XSIX, Ge1-XSNX, Si1-XSNX, Si1-XCX. Як відомо, розчин як фізико-хімічна система може бути описаний за допомогою термодинамічних функцій: внутрішньої енергії, вільних енергій Гібса(G) та Гельмгольца(F), ентальпії й ентропії(S). Для напівпровідників при визначенні термодинамічної стабільності та при побудові фазових діаграм зручно використати вільну енергію змішування Гельмгольца: (4) де ?E - надлишкова енергія змішування, ?S - ентропія змішування, яку згідно з моделлю регулярного твердого розчину AXB1-x можна представити: (5) де R - універсальна газова стала. Вільна енергія Гельмгольца системи(Fплівки) в такому випадку буде складатися із суми вільної енергії Гельмгольца обємного твердого розчину(Fобємного) та енергії напруження плівки(Енапружень): , (7)У розділі детально проаналізовано методи розрахунку діелектричної функції напівпровідників. Задовільне узгодження діелектричної функції з експериментальними даними підтвердило достовірність отриманих результатів і дозволило перейти до розрахунку композиційних залежностей оптичних піків подвійних сплавів на їх основі. Більшого збігу вдалось досягнути для піку Е1, де отримано чітке відтворення експериментально виміряної композиційної залежності. Дані особливості оптичних властивостей сплаву Ge1-XSIX пояснюються конкуренцією впливу композиційних і позиційних механізмів невпорядкованості. Вплив позиційної невпорядкованості на діелектричну функцію сплаву Ge1-XSIX виявився незначним, однак саме завдяки її врахуванню вдалось пояснити отримувані експериментально залежності.Вперше методом класичної молекулярної динаміки, використовуючи потенціал Терсофа, досліджено композиційну залежність розподілу довжин звязків твердих розчинів заміщення Ge1-XSIX, Ge1-XSNX, Si1-XSNX, Si1-XCX.

2. Основний зміст роботи