Квантово-механический расчет устойчивости наночастиц ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией
|
Введение 5
1 Полупроводники и их физико-химические характеристики 8
1.1 Понятие полупроводников 8
1.2 Кристаллохимические особенности полупроводниковых соединений
AIIBIVC 10
1.2.1 Соединение /П81ЛБ2 12
1.3 Некоторые физические свойства нелегированного и легированного
ZnSiAs14
1.3.1 Магнетизм 14
1.3.2 Тип проводимости 15
1.4 Синтез полупроводникового соединения ZnSiAs2 16
1.4.1 Тройная система Zn–Si–As 16
1.4.2 Получение ZnSiAs 17
1.5 Легирование полупроводникового соединения ZnSiAs2 марганцем 19
1.6 Применение полупроводникового соединения ZnSiAs2, легированного
марганцем 20
2 Методы исследования системы ZNSIAS2, легированной марганцем 21
2.1 Расчет парных корреляционных потенциалов пар атомов Zn – As, Si – As, Mn – As 21
2.2 Моделирование методом молекулярной механики наночастиц ZnSiAs,
легированных марганцем, с различной морфологией 26
2.2.1 Компьютерное моделирование релаксационных процессов методом
молекулярной механики в программном пакете НапоБуоКег 27
2.3 Моделирование процессов релаксации наночастиц 2П81ЛБ2,
легированных марганцем, с различной морфологией, методом квантовой нанокинетики 28
2.4 Техника безопасности при работе за компьютером 29
2.4.1 Правила работы за компьютером 29
2.4.2 Организация рабочего места 30
2.4.3 Перерывы в работе за компьютером 30
3 Анализ полученных результатов при работе в программе ПапоБуоКег молекулярная механика 32
3.1 Анализ устойчивости наноструктур ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией методом молекулярной механики 32
3.2 Анализ устойчивости наноструктур Zn1-xMnxSiAs2 с размером нанослоев 20*20*1 при малых концентрациях легирующей примеси 39
4 Анализ данных релаксации наноструктур ZNSIAS2, легированных марганцем, с различной морфологией методом квантовой нанокинетики .... 41
Выводы 47
Библиографический список 48
Приложение А 55
Приложение Б 89
Приложение С 99
1 Полупроводники и их физико-химические характеристики 8
1.1 Понятие полупроводников 8
1.2 Кристаллохимические особенности полупроводниковых соединений
AIIBIVC 10
1.2.1 Соединение /П81ЛБ2 12
1.3 Некоторые физические свойства нелегированного и легированного
ZnSiAs14
1.3.1 Магнетизм 14
1.3.2 Тип проводимости 15
1.4 Синтез полупроводникового соединения ZnSiAs2 16
1.4.1 Тройная система Zn–Si–As 16
1.4.2 Получение ZnSiAs 17
1.5 Легирование полупроводникового соединения ZnSiAs2 марганцем 19
1.6 Применение полупроводникового соединения ZnSiAs2, легированного
марганцем 20
2 Методы исследования системы ZNSIAS2, легированной марганцем 21
2.1 Расчет парных корреляционных потенциалов пар атомов Zn – As, Si – As, Mn – As 21
2.2 Моделирование методом молекулярной механики наночастиц ZnSiAs,
легированных марганцем, с различной морфологией 26
2.2.1 Компьютерное моделирование релаксационных процессов методом
молекулярной механики в программном пакете НапоБуоКег 27
2.3 Моделирование процессов релаксации наночастиц 2П81ЛБ2,
легированных марганцем, с различной морфологией, методом квантовой нанокинетики 28
2.4 Техника безопасности при работе за компьютером 29
2.4.1 Правила работы за компьютером 29
2.4.2 Организация рабочего места 30
2.4.3 Перерывы в работе за компьютером 30
3 Анализ полученных результатов при работе в программе ПапоБуоКег молекулярная механика 32
3.1 Анализ устойчивости наноструктур ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией методом молекулярной механики 32
3.2 Анализ устойчивости наноструктур Zn1-xMnxSiAs2 с размером нанослоев 20*20*1 при малых концентрациях легирующей примеси 39
4 Анализ данных релаксации наноструктур ZNSIAS2, легированных марганцем, с различной морфологией методом квантовой нанокинетики .... 41
Выводы 47
Библиографический список 48
Приложение А 55
Приложение Б 89
Приложение С 99
Начиная с XX века, бурно развивается такое направление науки и техники, как электроника [1]. Достижения в этой области способствуют решению сложнейших научно-технических проблем, повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования [2].
1930 год ознаменовался началом исследований в области полупроводниковой электроники [1]. Создание полупроводниковых диодов и триодов в 1947-1952 годах привело к необходимости уменьшения размеров приборов в электронике [3]. Так возникло новое направление - микроэлектроника. Однако, к 1980-м годам, исследования показали, что был достигнут физический предел в миниатюризации элементов. Он составил порядка 0,2 мкм и позволял работать полупроводниковому прибору без угрозы разрушения его выделяемым теплом [4]. В результате появились принципиально новые задачи, решение которых было недоступно на «микро» уровне. Таким образом, зародилось новое направление в электронике - наноэлектроника.
Нанотехнологии являются многообещающей областью исследования в современном мире [5]. Они позволяют конструировать новые высокоэффективные электронные устройства путем размещения нужных атомов и атомных структур в четком порядке и в точно определенном месте [1]. Так или иначе, микроэлектроника постепенно уступает свое место наноэлектронике, которая уже нашла применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и датчиках углового вращения. Создание таких устройств было бы не возможно без развития спинтроники [5].
Спинтроника (англ. spin - кручение, вращение; electronic - электроника) - это электроника, в основе которой находится крутящий момент электрона, т.е. спин [6]. Данное название акцентирует внимание на значимости и перспективности объединения двух актуальных характеристик отрицательно заряженной элементарной частицы (электрона): заряда и спина. Заряд электрона находит применение во всех процессах обработки информации, в том числе и при переносе, преобразовании и хранении данных. Спин электрона применяется только в ходе операций записи, хранения и считывания информации, и обуславливает существование коллективных магнитных свойств у соединений. Таким образом, сочетание зарядовых и спиновых характеристик в устройствах электроники может вывести электронику на абсолютно новую ступень развития [7].
Тройные полупроводниковые соединения ЛПВ1УСУ2 со структурой халькопирита интересны тем, что при легировании магнитными примесями (например, Мп), одновременно проявляют зарядовые и спиновые свойства [8].
В качестве объекта исследования был выбран диарсенид цинка и кремния (2п81Лз2) так как данное соединение имеет высокую структурную совместимость с кремнием, и его можно применять как материал подложки для кремниевых эпитаксиальных структур [9], несмотря на то, что 2п81Лз2 и 81 кристаллизуются в разных кристаллических структурах. Разница в параметрах их кристаллических ячеек при ориентации [001] составляет менее 2 %, что делает процесс эпитаксиального выращивания возможным [10].
При достижении концентрации легирующей примеси порядка 5 массовых % происходит формирование неоднородностей наноструктурного уровня за счет роста зародышей фаз марганца, что в конечном итоге приводит к расслоению на магнитную и полупроводниковую фазу и распаду твердого раствора. Физико-химические механизмы таких фазовых превращений пока мало изучены, поэтому в данной работе проведено исследование методом компьютерного моделирования устойчивости нанослоев 2п81Лз2, легированных марганцем, с различной морфологией.
Целью работы является исследовать устойчивость нанослоев 2п81Лз2, легированных марганцем, с различной морфологией.
Данная цель достигается решением следующих задач:
1. Выполнить построение компьютерных моделей нанослоев
ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
2. Методом нелокального функционала плотности рассчитать
парные корреляционные потенциалы Zn-As, Si-As, Mn-As.
3. Применить метод молекулярной механики для определения устойчивости нанослоев ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
4. Методом квантовой нанокинетики изучить релаксационные процессы нанослоев ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
1930 год ознаменовался началом исследований в области полупроводниковой электроники [1]. Создание полупроводниковых диодов и триодов в 1947-1952 годах привело к необходимости уменьшения размеров приборов в электронике [3]. Так возникло новое направление - микроэлектроника. Однако, к 1980-м годам, исследования показали, что был достигнут физический предел в миниатюризации элементов. Он составил порядка 0,2 мкм и позволял работать полупроводниковому прибору без угрозы разрушения его выделяемым теплом [4]. В результате появились принципиально новые задачи, решение которых было недоступно на «микро» уровне. Таким образом, зародилось новое направление в электронике - наноэлектроника.
Нанотехнологии являются многообещающей областью исследования в современном мире [5]. Они позволяют конструировать новые высокоэффективные электронные устройства путем размещения нужных атомов и атомных структур в четком порядке и в точно определенном месте [1]. Так или иначе, микроэлектроника постепенно уступает свое место наноэлектронике, которая уже нашла применение в сенсорах магнитного поля, считывающих головках жестких дисков и датчиках углового вращения. Создание таких устройств было бы не возможно без развития спинтроники [5].
Спинтроника (англ. spin - кручение, вращение; electronic - электроника) - это электроника, в основе которой находится крутящий момент электрона, т.е. спин [6]. Данное название акцентирует внимание на значимости и перспективности объединения двух актуальных характеристик отрицательно заряженной элементарной частицы (электрона): заряда и спина. Заряд электрона находит применение во всех процессах обработки информации, в том числе и при переносе, преобразовании и хранении данных. Спин электрона применяется только в ходе операций записи, хранения и считывания информации, и обуславливает существование коллективных магнитных свойств у соединений. Таким образом, сочетание зарядовых и спиновых характеристик в устройствах электроники может вывести электронику на абсолютно новую ступень развития [7].
Тройные полупроводниковые соединения ЛПВ1УСУ2 со структурой халькопирита интересны тем, что при легировании магнитными примесями (например, Мп), одновременно проявляют зарядовые и спиновые свойства [8].
В качестве объекта исследования был выбран диарсенид цинка и кремния (2п81Лз2) так как данное соединение имеет высокую структурную совместимость с кремнием, и его можно применять как материал подложки для кремниевых эпитаксиальных структур [9], несмотря на то, что 2п81Лз2 и 81 кристаллизуются в разных кристаллических структурах. Разница в параметрах их кристаллических ячеек при ориентации [001] составляет менее 2 %, что делает процесс эпитаксиального выращивания возможным [10].
При достижении концентрации легирующей примеси порядка 5 массовых % происходит формирование неоднородностей наноструктурного уровня за счет роста зародышей фаз марганца, что в конечном итоге приводит к расслоению на магнитную и полупроводниковую фазу и распаду твердого раствора. Физико-химические механизмы таких фазовых превращений пока мало изучены, поэтому в данной работе проведено исследование методом компьютерного моделирования устойчивости нанослоев 2п81Лз2, легированных марганцем, с различной морфологией.
Целью работы является исследовать устойчивость нанослоев 2п81Лз2, легированных марганцем, с различной морфологией.
Данная цель достигается решением следующих задач:
1. Выполнить построение компьютерных моделей нанослоев
ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
2. Методом нелокального функционала плотности рассчитать
парные корреляционные потенциалы Zn-As, Si-As, Mn-As.
3. Применить метод молекулярной механики для определения устойчивости нанослоев ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
4. Методом квантовой нанокинетики изучить релаксационные процессы нанослоев ZnSiAs2, легированных марганцем, с различной морфологией.
В результате компьютерного эксперимента было
1) Выполнено построение компьютерных моделей нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией.
2) Методом нелокального функционала плотности рассчитаны парные корреляционные потенциалы /П - ЛБ, 31 - ЛБ, МП - ЛБ. Рост концентрации марганца в соединениях /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией приводит к дестабилизации структур.
3) Методом молекулярной механики была определена устойчивость нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией. В зависимости от размера нанослоя структуры имеют различные отклонения от правила Вегарда. Для структур 20*20*1, 20*10*2, 20*5*4, 20*4*5, 20*2*10, 20*1*20, 5*2*40 при содержании МП х = 0,25 (что соответствует 5,7 мольных %), и для структуры 1*10*40 при х = 0,50 (что соответствует 11,5 мольных %) в системе наблюдается отклонение от линейности в сторону более отрицательных энергий и, как следствие, это приводит к более стабильному состоянию структуры.
4) Методом квантовой нанокинетики изучены релаксационные процессы нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией. Показано, что при повышении температуры время релаксации уменьшается, а амплитуда колебаний увеличивается для всех исследуемых структур.
1) Выполнено построение компьютерных моделей нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией.
2) Методом нелокального функционала плотности рассчитаны парные корреляционные потенциалы /П - ЛБ, 31 - ЛБ, МП - ЛБ. Рост концентрации марганца в соединениях /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией приводит к дестабилизации структур.
3) Методом молекулярной механики была определена устойчивость нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией. В зависимости от размера нанослоя структуры имеют различные отклонения от правила Вегарда. Для структур 20*20*1, 20*10*2, 20*5*4, 20*4*5, 20*2*10, 20*1*20, 5*2*40 при содержании МП х = 0,25 (что соответствует 5,7 мольных %), и для структуры 1*10*40 при х = 0,50 (что соответствует 11,5 мольных %) в системе наблюдается отклонение от линейности в сторону более отрицательных энергий и, как следствие, это приводит к более стабильному состоянию структуры.
4) Методом квантовой нанокинетики изучены релаксационные процессы нанослоев /П31ЛБ2, легированных марганцем, с различной морфологией. Показано, что при повышении температуры время релаксации уменьшается, а амплитуда колебаний увеличивается для всех исследуемых структур.