Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц

Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц

Представлены результаты оптимизации атомной структуры и расчета электронных характеристик напряженных кремниевых кластеров Si51 на германиевой подложке. Изучены взаимодействие граничных атомов нанокластеров с подложкой и механизм переноса заряда в кремниевых наноструктурах. Анализируется влияние д...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
1. Verfasser: Филиппов, В.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2008
Schriftenreihe:Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76070
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц / В.В. Филиппов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 705-715. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-76070
record_format dspace
spelling irk-123456789-760702015-10-31T11:17:00Z Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц Филиппов, В.В. Представлены результаты оптимизации атомной структуры и расчета электронных характеристик напряженных кремниевых кластеров Si51 на германиевой подложке. Изучены взаимодействие граничных атомов нанокластеров с подложкой и механизм переноса заряда в кремниевых наноструктурах. Анализируется влияние деформации и примеси на распределение электронных состояний. Наведено результати оптимізації атомової структури та розрахунку електронних характеристик напружених кремнійових кластерів Si51 на германійовім підложжі. Вивчено взаємодію межових атомів нанокластерів з підложжям та механізм перенесення заряду в кремнійових наноструктурах. Аналізується вплив деформації й домішок на розподіл електронних станів. Results of optimization of atomic structure and calculation of electronic properties of strained silicon clusters Si51 on a germanium substrate are presented. Interaction of boundary atoms of nanoclusters with the substrate and mechanism of charge transfer in silicon nanostructures are studied. Influence of strain and impurities on distribution of electronic states is analyzed. 2008 Article Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц / В.В. Филиппов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 705-715. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.46.Bc, 61.46.Hk, 73.22.Dj, 73.61.Cw, 81.07.Bc http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76070 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Представлены результаты оптимизации атомной структуры и расчета электронных характеристик напряженных кремниевых кластеров Si51 на германиевой подложке. Изучены взаимодействие граничных атомов нанокластеров с подложкой и механизм переноса заряда в кремниевых наноструктурах. Анализируется влияние деформации и примеси на распределение электронных состояний.
format Article
author Филиппов, В.В.
spellingShingle Филиппов, В.В.
Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet Филиппов, В.В.
author_sort Филиппов, В.В.
title Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
title_short Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
title_full Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
title_fullStr Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
title_full_unstemmed Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
title_sort моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц
publisher Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate 2008
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76070
citation_txt Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц / В.В. Филиппов // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 705-715. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv AT filippovvv modelirovanieélektronnojstrukturykremnievyhnaprâžennyhnanočastic
first_indexed 2025-07-06T00:32:41Z
last_indexed 2025-07-06T00:32:41Z
_version_ 1836855550702256128
fulltext 705 PACS numbers: 61.46.Bc, 61.46.Hk, 73.22.Dj, 73.61.Cw, 81.07.Bc Моделирование электронной структуры кремниевых напряженных наночастиц В. В. Филиппов Липецкий государственный педагогический университет, ул. Ленина, 42, 398020 Россия, Липецк Представлены результаты оптимизации атомной структуры и расчета электронных характеристик напряженных кремниевых кластеров Si51 на германиевой подложке. Изучены взаимодействие граничных атомов на- нокластеров с подложкой и механизм переноса заряда в кремниевых на- ноструктурах. Анализируется влияние деформации и примеси на распре- деление электронных состояний. Наведено результати оптимізації атомової структури та розрахунку елект- ронних характеристик напружених кремнійових кластерів Si51 на германі- йовім підложжі. Вивчено взаємодію межових атомів нанокластерів з під- ложжям та механізм перенесення заряду в кремнійових наноструктурах. Аналізується вплив деформації й домішок на розподіл електронних станів. Results of optimization of atomic structure and calculation of electronic properties of strained silicon clusters Si51 on a germanium substrate are pre- sented. Interaction of boundary atoms of nanoclusters with the substrate and mechanism of charge transfer in silicon nanostructures are studied. Influ- ence of strain and impurities on distribution of electronic states is analyzed. Ключевые слова: кремний, нанокристалл, кластер, деформация, подложка. (Получено 22 ноября 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в производстве полупроводниковых приборов происходит переход на уровень нанотехнологий, вследствие чего кластеры различных полупроводников, как потенциальные замени- тели микрослоев и объемных кристаллических материалов, являют- ся объектом интенсивных экспериментальных и теоретических ис- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2008, т. 6, № 3, сс. 705—715 © 2008 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 706 В. В. ФИЛИППОВ следований [1—4]. Эти исследования необходимы для прогнозирова- ния свойств полупроводниковых изделий, т.к. для одного и того же числа атомов наноструктур при относительно незначительном изме- нении геометрии изменяется их энергия связи, распределение элек- тронной плотности, энергетический спектр и другие важные пара- метры [1—7], не говоря уже о том, что эти характеристики принципи- ально отличаются для нанообъектов и объемных структур. Естест- венно, особое внимание уделяется наноформам кремния как потен- циальным аналогам основного материала полупроводниковой элек- троники – монокристаллического кремния [8, 9]. Большой интерес на сегодняшний день вызывают исследования свойств кремниевых наноструктур, получаемых на подложках с параметрами решетки, отличными от кристаллического кремния, и находящихся по этой причине в напряженном состоянии. Одной из наиболее распространенных таких подложек для получений на- нокремния является монокристаллический германий [10—12]. Со- гласно литературным данным, при теоретическом анализе крем- ниевых наноструктур на подложках обычно учитывают только об- рыв кристаллической решетки в одном или двух направлениях [13, 14], но не конечное число атомов и наличие подложки. Использова- ние некоторых общих модельных представлений о квантовых объ- ектах также не всегда позволяет объяснять возникающие эффекты и особенности тех или иных структур. Поэтому необходимо более детальное рассмотрение свойств кремниевых наноструктур на под- ложках в плане учета ограниченности числа атомов в кластере и взаимодействия граничных атомов кластера с подложкой. Интерес к кремниевым кластерам связан также с их ролью в тех- нологическом процессе осаждения аморфного кремния. Отдельные работы посвящены изучению простейших примеров таких струк- тур. Например, в [15] методом функционала плотности рассчитаны структуры нескольких гидрированных фрагментов алмазной ре- шетки с количеством атомов кремния от 6 до 14. В данной работе выполнен расчет некоторых электронных свойств напряженных кремниевых наночастиц на германиевой подложке, учитывающий эффекты взаимодействия граничных атомов кластера с подложкой. 2. МЕТОД РАСЧЕТА На практике для расчета оптимальной геометрии макромолекул и нанообъектов используют, как правило, методы силовой механики и молекулярной динамики. В настоящее время одним из наиболее проверенных экспериментально является метод ММ+, являющий- ся модификацией силового поля ММ2 [16]. Основными усовершен- ствованиями ММ+ по отношению ММ2 являются то, что расчет МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ Si НАНОЧАСТИЦ 707 энергии деформации растяжения учитывается с точностью до чле- нов третьего порядка, а энергия деформации валентных углов вы- числяется с включением членов шестого порядка. Для двухатомной молекулы Si2 метод ММ+ дает значение длины связи 0,222 нм при экспериментальном значении 0,225 нм [17] (отклонение 1,3%), то- гда как расчет полуэмпирическим методом РМ3 дает длину связи 0,229 нм (отклонение от экспериментального 1,8%). Данный при- мер наглядно показывает, что применение метода ММ+ для опреде- ления геометрии кремниевых структур дает ошибку, сопоставимую с довольно точным квантово-химическим методом. Для исследования электронных свойств кремниевых кластеров нами был использован полуэмпирический квантово-химический метод частичного пренебрежения двухатомным дифференциаль- ным перекрыванием NDDO РМ3 [3, 18]. Выбор метода расчета обу- словлен тем, что на данный момент РМ3 является одним из наибо- лее точных, оптимизирован на большом числе экспериментальных данных (657 молекул, 18 параметров для каждого элемента). Ре- зультаты применения метода РМ3 к расчетам электронных харак- теристик кремниевых кластеров, как показано в работах [1, 3], со- гласуются с экспериментальными данными значительно лучше, чем результаты расчета ab initio на базисе 6-31G. Заряд на атомах определялся по методу Малликена [3, 11]. Предварительно расчеты нами были также выполнены в рамках расширенного метода Хюккеля и различными полуэмпирическими методами модификаций пренебрежения дифференциальным пере- крыванием (CNDO, INDO, ZINDO/1, MINDO3, MNDO). Однако эти методы, являющиеся более грубыми, не всегда выдавали даже ка- чественно верные результаты, не всегда достигалась сходимость ме- тода. В частности, расчет расширенным методом Хюккеля давал значение HOMO—LUMO-щели 0,15 эВ, что намного меньше, чем ширина запрещенной зоны объемного кремния, а заряд на поверх- ности, так же как при расчетах методами CNDO, INDO, ZINDO/1, MINDO3, получался отрицательным, что противоречит экспери- менту, сходимость метода MNDO отсутствовала. Метод NDDO AM1 показал результаты, близкие к результатам метода РМ3, но для кремниевых нанокластеров сходимость метода АМ1 существенно хуже сходимости метода РМ3. Вышесказанное можно объяснить тем, что большинство кванто- во-химических полуэмпирических методов оптимизировано для расчетов органических углеродных соединений [19, 20]. Кроме то- го, известны работы по включению в базис метода РМ3 d-орбиталей (метод PM3(tm)) [21]. Однако на данный момент в литературе нет достаточного количества расчетов, позволяющих судить о преиму- ществах метода PM3(tm) по отношению к методу РМ3. Применение неэмпирического метода Хартри—Фока, а также методов функцио- нала плотности связано не только с огромными затратами машин- 708 В. В. ФИЛИППОВ ного времени расчета, но с проблемами выбора базиса, обменного и корреляционного потенциала, оценка электронной корреляции и т.д. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Для учета влияния деформации и взаимодействия с подложкой на свойства структуры были рассмотрены четыре вида кремниевых нанокристаллов. Структура 1. Кремниевый нанокристалл как кластер идеальной решетки недеформированного кремния (с постоянной решетки 5,431 Å). В качестве объекта исследования была выбрана структура из 8 элементарных кристаллических ячеек (2×2×2), при этом ато- мы, имеющие только одну связь, удалялись. В итоге получили структуру из 51 атома (Si51), приведенную на рис. 1. На данном ри- сунке поверхностные атомы с двумя незаполненными связями имеют порядковые номера 1—24, промежуточные (имеющие три связи) – 25—34, внутренние (имеющие четыре связи) – 35—51. Структура 2. Кремниевый нанокристалл Si51 как кластер монокри- сталлического кремния, растянутый вдоль плоскости (001) и сжа- тый в направлении [001]. Величина растяжения в направлениях [100] и [010] выбиралась 4% (разница постоянных решеток крем- ния и германия), величина сжатия в направлении [001], согласно [12, 22], определена как 3,1%. Структура 3. Исходная кремниевая структура вида 2 оптимизиро- валась методом ММ+, при этом координаты нижних атомов (1—4 на рис. 1) фиксировались для моделирования сцепления с подложкой. Рис. 1. Геометрическое строение недеформированной наноструктуры Si51. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ Si НАНОЧАСТИЦ 709 Структура 4. В исходной структуре вида 2 эффекты взаимодействия граничных атомов кремниевого кластера (атомы 1—4 на рис. 1) с германиевой подложкой учитывалось путем насыщения водородом ненасыщенных связей этих атомов. Затем геометрия структуры оп- тимизировалась методом ММ+, при этом положения граничных атомов кремния, насыщенных водородом, оставались фиксирован- ными. В данном случае насыщение незаполненных связей атомов кремния, граничащих с подложкой, именно водородом объясняется близкими значениями электроотрицательностей водорода и герма- ния [17]. Отметим, что визуальные отличия структур 2—4 от струк- туры 1 в масштабах рис. 1 почти не заметны. Для указанных выше структур 1—4 были определены координаты и эффективные заряды атомов наноструктур, позволяющие судить о степени заселенности орбиталей и распределении электростатиче- ского потенциала внутри нанокристалла и вблизи его поверхности. Как показал анализ оптимизированной методом ММ+ структуры 3, длины связей близлежащих атомов кремния в этой структуре, не учитывающей взаимодействия атомов кластера с атомами подлож- ки, лежат в интервале от 2,329 Å до 2,376 Å (среднее значение 2,349 Å), с учетом взаимодействия с подложкой (структура 4) длины свя- зей составляют от 2,309 Å до 2,384 Å, при этом среднее значение не- значительно уменьшилось до 2,348 Å. Для обеих структур наиболь- шие значения длин связей характерны для внутренних областей на- нокластеров. Для структур 1 и 2, которые не оптимизировались, средние длины связей были определены согласно [12, 22] по значе- ниям постоянных решеток монокристаллического кремния с учетом деформаций решетки и составили 2,352 Å и 2,391 Å, соответственно. Таким образом, при переходе от структуры 1 к структуре 2 средняя длина связи за счет деформации растяжения, естественно, возраста- ет, однако последующая оптимизация структуры возвращает сред- нюю длину связи к значению близкому, но несколько меньшему, чем для кристаллического кремния (структура 3), а заключительный учет взаимодействия граничных атомов кластера с подложкой при- водит к ее дальнейший уменьшению (структура 4). В таблице 1 приведены рассчитанные эффективные заряды всех атомов для наноструктур 1—4, а в табл. 2 – средние заряды атомов в этих структурах в зависимости от числа насыщенных связей. Как следует из этих таблиц, распределение заряда и электронная засе- ленность атомов в значительной степени зависит от геометрии структуры, что согласуется с результатами работ [1—7]. Причем, наиболее существенно меняется величина среднего заряда при пе- реходе к структуре 4, тогда как для структур 1—3 средние значения зарядов изменяются менее значительно. Для всех рассматриваемых структур средний заряд атомов на поверхности положителен (∼ +0,2е), а внутренних – отрицателен (∼ —0,2е). 710 В. В. ФИЛИППОВ ТАБЛИЦА 1. Эффективные заряды атомов нанокластеров (в единицах элементарного заряда e). Номер кремниевой структуры Номер кремниевой структуры № атома 1 2 3 4 № атома 1 2 3 4 1 0,315 0,249 0,258 0,173 27 −0,053 −0,091 −0,086 −0,015 2 0,118 0,111 0,127 0,076 28 −0,171 −0,228 −0,236 −0,139 3 0,293 0,299 0,333 0,067 29 −0,143 −0,164 −0,159 −0,01 4 0,115 0,112 0,127 0,064 30 −0,090 −0,104 −0,055 −0,041 5 0,191 0,198 0,191 0,377 31 −0,232 −0,170 −0,163 −0,171 6 0,184 0,198 0,191 0,373 32 −0,169 −0,171 −0,163 −0,171 7 0,252 0,329 0,312 0,303 33 −0,165 −0,119 −0,151 −0,143 8 0,314 0,329 0,312 0,298 34 −0,143 −0,118 −0,151 −0,140 9 0,127 0,138 0,108 0,154 35 −0,270 −0,263 −0,251 −0,118 10 0,114 0,138 0,108 0,157 36 −0,201 −0,192 −0,201 −0,188 11 0,195 0,215 0,19 0,215 37 −0,297 −0,192 −0,201 −0,185 12 0,184 0,215 0,19 0,215 38 −0,239 −0,215 −0,221 −0,248 13 0,278 0,286 0,297 0,236 39 −0,259 −0,214 −0,221 −0,248 14 0,255 0,286 0,297 0,233 40 −0,266 −0,271 −0,270 −0,248 15 0,333 0,267 0,287 0,284 41 −0,270 −0,271 −0,270 −0,244 16 0,293 0,268 0,287 0,288 42 −0,227 −0,207 −0,216 −0,195 17 0,300 0,295 0,271 0,268 43 −0,224 −0,207 −0,216 −0,193 18 0,253 0,294 0,271 0,264 44 −0,205 −0,28 −0,299 −0,297 19 0,127 0,122 0,105 0,101 45 −0,222 −0,257 −0,239 −0,224 20 0,117 0,122 0,105 0,102 46 −0,255 −0,231 −0,251 −0,271 21 0,194 0,172 0,189 0,18 47 −0,261 −0,256 −0,239 −0,22 22 0,189 0,172 0,189 0,179 48 −0,224 −0,225 −0,219 −0,204 23 0,295 0,221 0,252 0,237 49 −0,082 −0,110 −0,070 −0,138 24 0,275 0,222 0,252 0,238 50 −0,218 −0,257 −0,264 −0,251 25 −0,094 −0,095 −0,092 −0,07 51 −0,238 −0,257 −0,264 −0,252 26 −0,092 −0,091 −0,086 −0,016 Следовательно, и потенциал на поверхности положителен по от- ношению к внутренней части структуры, а концентрация свободных носителей заряда на поверхности выше, чем в объёме, что подтвер- ждается экспериментальными данными по исследованиям свойств поверхности объемных кристаллов Si [22]. При этом заряд положите- лен лишь для атомов, имеющих по две незаполненных связи. Отме- тим, что в структурах 1—3, в которых не учитывается взаимодействие с подложкой и которые фактически представляют изолированный кластер в вакууме, граничные атомы Si (1—4) по величине заряда не отличаются от прочих поверхностных атомов. Средние эффективные МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ Si НАНОЧАСТИЦ 711 заряды на этих атомах для структур 1, 2 и 3 составляют соответствен- но +0,210e, +0,193e и +0,211e. Однако учет взаимодействия гранич- ных атомов с подложкой Ge (насыщенные водородом) в структуре 4 приводит к значительному уменьшению среднего заряда на этих ато- мах – до величины +0,095e. Тем не менее, эти атомы сохраняют знак заряда (положительный) и, соответственно, положительный потен- циал, что качественно верно – электроотрицательность Ge (2,0) не- сколько выше, чем Si (1,9) [17]. Кроме того, как следует из экспери- мента, на границе раздела объемных кристаллов Ge и Si в кремнии возникает положительный заряд [22]. Значительное изменение заря- дов на атомах структур в приконтактной области свидетельствует о необходимости учета наличия граничных условий при расчете элек- тронных свойств кремниевых наноструктур на подложках. На основе рассчитанных нами методом PM3 энергетических пара- метров, представленных в табл. 1, и плотности состояний на рис. 2 можно сделать вывод, что при деформации растяжения нанокласте- ра кремния (структура 2) поднимается положение нижнего незапол- ненного и верхнего заполненного состояния, причем положение ТАБЛИЦА 2. Средние значения эффективных зарядов атомов наност- руктур (в единицах элементарного заряда e). Номер кремниевой структуры Положение атома Число атомов 1 2 3 4* Поверхностные (2 связи) 24 (№№ 1—24) 0,221 0,219 0,219 0,235 Промежуточные (3 связи) 10 (№№ 25—34) −0,135 −0,135 −0,134 −0,092 Внутренние (4 связи) 17 (№№ 35—51) −0,233 −0,230 −0,230 −0,219 *Граничные атомы (1—4) при расчете средних зарядов в структуре 4 не учитывались. 0 10 20 30 40 50 60 ñòðóêòóðà ¹1 ñòðóêòóðà ¹4 −12 −8 −4 0 4 8 E, ýÂ D O S , ñî ñò îÿ í è ÿ /ý Â Рис. 2. Плотность электронных состояний в рассматриваемых кремние- вых структурах 1, 4. 712 В. В. ФИЛИППОВ верхнего заполненного состояния изменяется более существенно. Заметим, что при переходе от структуры 1 к 4 плотность электрон- ных состояний существенно не изменилась, появление небольшого дополнительного пика при 8 эВ можно объяснить насыщением гра- ничных атомов кремния водородом (для структур 2, 3 данного пика нет и отличия плотности состояний от структуры 1 еще менее замет- ны). Величина энергетической щели между верхним заполненным состоянием и нижним незаполненным состоянием (HOMO—LUMO- щель) для любого из рассматриваемых нанокластеров больше шири- ны запрещенной зоны объемного кристалла, что качественно верно [1—7, 17]. Полученное в расчетах смещение нижнего незаполненного состояния соответствует изменению положения дна зоны проводи- мости в объемном кристалле [22]. Таким образом, резюмируя вышеуказанное, можно сделать сле- дующие выводы. 1. Расчет оптимальной атомной структуры напряженных кремние- вых наноструктур методом силовой динамики ММ+ показывает суще- ственный разброс длин связей в этих структурах. При оптимизации атомной структуры необходимо учитывать влияние подложки. 2. Перенос электронного заряда в кремниевых наноструктурах осуществляется от поверхностных атомов к внутренним, т.е. атомы поверхности являются донорами. Взаимодействие граничных ато- мов с подложкой германия приводит к значительному уменьшению среднего заряда на этих атомах при сохранении его знака, т.е. на границе раздела нанокластер кремния—подложка германия в об- ласти нанокластера имеется эффективный положительный заряд. 3. Энергетическая щель между верхним заполненным состояни- ем и нижним незаполненным состоянием напряженной структуры изменяется при деформации не очень существенно. Для напряжен- ного нанокристалла кремния верхний заполненный и нижний не- заполненный уровни расположены выше, чем в ненапряженном нанокристалле. 4. Значительное изменение рассчитанных электронных свойств ТАБЛИЦА 3. Некоторые энергетические характеристики исследуемых наноструктур (эВ). Номер кремниевой структуры Характеристика 1 2 3 4 Энергия связи −193,54 −192,37 −193,44 −218,7 Верхнее заполненное состояние −7,16 −7,15 −7,18 −7,05 Нижнее незаполненное состояние −4,86 −4,75 −4,91 −4,73 HOMO—LUMO-щель 2,30 2,40 2,27 2,32 Точечная группа симметрии C3v Cs Cs C1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ Si НАНОЧАСТИЦ 713 напряженных кремниевых структур при учете взаимодействия с подложкой свидетельствует о том, что в расчетах электронных свойств полупроводниковых наноструктур на подложке следует не только оптимизировать геометрию, но и необходимо учитывать ус- ловия на границе раздела. 4. ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСНЫХ АТОМОВ НА ЭЛЕКТРОННУЮ СТРУКТУРУ Для изучения влияния примеси на свойства кремниевых наночастиц на поверхности германия нами исследовалась электронная структура наночастиц типа XSi50H8 (X – примесь). В данных структурах один из внутренних атомов кремния (атом 48 на рис. 1) замещался при- месным. После этого геометрия структуры оптимизировалась мето- дом ММ+ (положение нижних атомов кремния оставалось фиксиро- ванным) и определялась электронная структура методом NDDO РМ3. Основные результаты расчетов представлены в табл. 4. В данной таб- ТАБЛИЦА 4. Характеристики электронной структуры напряженных на- ночастиц XSi50H8. Наночастица Энергия связи, эВ Верхнее заполненное состояние, эВ Нижнее свободное состояние, эВ HOMO−LUMO- щель, эВ Заряд на примеси, е Si51H8 −218,08 −7,05 −4,73 2,32 −0,27 CSi50H8 −221,05 −7,18 −4,80 2,38 −0,13 GeSi50H8 −218,45 −7,13 −4,74 2,39 −0,57 SnSi50H8 −216,10 −7,01 −4,63 2,38 −1,69 BSi50H8 −217,10 −6,02 −4,79 1,24 0,32 AlSi50H8 −214,48 −5,88 −4,51 1,37 −0,95 GaSi50H8 −219,28 −5,64 −4,50 1,14 −3,14 InSi50H8 −214,15 −5,73 −4,56 1,17 −1,47 NSi50H8 −219,28 −6,05 −4,86 1,19 −0,04 PSi50H8 −218,08 −5,92 −4,67 1,25 0,04 AsSi50H8 −216,94 −5,87 −4,68 1,19 0,32 SbSi50H8 −215,58 −5,86 −4,62 1,25 −0,12 OSi50H8 −216,72 −7,11 −4,64 2,47 −0,38 SSi50H8 −206,09 −7,08 −4,68 2,40 −0,14 SeSi50H8 −214,15 −7,17 −4,70 2,47 −0,05 TeSi50H8 −214,48 −7,03 −4,63 2,40 0,13 ZnSi50H8 −212,15 −7,01 −4,77 2,24 −0,05 CuSi50H8 −220,37 −5,89 −4,65 1,25 0,16 NiSi50H8 −217,58 −7,06 −4,74 2,32 −0,30 FeSi50H8 −220,93 −7,11 −4,66 2,44 −0,04 714 В. В. ФИЛИППОВ лице рассмотрены основные примеси, используемые в кремниевых материалах. Выбор атомов примеси обусловлен также наличием па- раметров данного элемента в параметризации РМ3 и характером схо- димости при расчетах, т.к. при вычислениях электронных свойств отдельных структур сходимости метода РМ3 не наблюдается. На основе представленных в табл. 4 результатов можно сделать следующие выводы. 1. Изменение величины эффективного заряда на атоме № 48 (рис. 1) говорит о том, что элементы примеси могут быть как донорами, так и акцепторами. Ширина щели между верхним заполненным уровнем и нижним свободным также может изменяться весьма значительно в зависимости от примеси. Особо можно отметить примесь никеля – при переходе от структуры Si51H8 к NiSi50H8 электронные свойства практически не изменились. 2. Примесь с нечетным числом валентных электронов уменьшает значение HOMO—LUMO-щели по отношению к структуре без при- меси примерно в два раза. Положение энергетического уровня, об- разованного за счет примесного атома расположено примерно по- средине HOMO—LUMO-щели кремниевой наночастицы без примеси. 3. Атом примеси, содержащий четное число электронов на ва- лентном энергетическом уровне, изменяет ширину HOMO—LUMO- щели не значительно. Следовательно, заметное изменение HOMO— LUMO-щели происходит лишь в том случае, когда один из электро- нов атомов примеси не участвует в парных ковалентных связях. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. С. И. Курганский, Н. А. Борщ, Физ. техн. полупр., 38: 580 (2004). 2. В. В. Ивановская, А. Л. Ивановский, Теор. и эксп. химия, 42: 199 (2006). 3. Н. А. Борщ, Н. С. Переславцева, С. И. Курганский, Физ. техн. полупр., 40: 1457 (2006). 4. Г. С. Плотников, В. Б. Зайцев, Физические основы молекулярной электро- ники (Москва: МГУ: 2000). 5. S. M. Nakhmanson, A. Calzolari, V. Meunier, J. Bernhole, and M. B. Nardelli, Phys. Rev. B, 67: 235406 (2003). 6. N. Sai and E. J. Mele, Phys. Rev. B, 68: 241405 (2003). 7. P. J. Michalski, N. Sai, and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett., 95: 116803 (2005). 8. А. А. Орликовский, Известия вузов. Электроника, № 5: 35 (2006). 9. В. Майская, Электроника: НТБ, № 7: 5 (2006). 10. S. V. Filimonov and B. Voigtlдnder, Surface Science, 512: L335 (2002). 11. М. Я. Валах, В. Н. Джаган, Л. А. Матвеева, ФТП, 37: 460 (2003). 12. В. П. Драгунов, Науч. вестн. НГТУ, №2: 71 (2003). 13. T. B. Boykin, G. Klimeck, M. A. Eriksson, M. Friesen, S. N. Coppersmith, P. Allmen, F. Oyafuso, and S. Lee, Appl. Phys. Lett., 84: 115 (2004). 14. D. E. Segall, I.-B. Sohram, and T. A. Arias, Phys. Rev. B, 65: 214109 (2002). 15. G. Onida and W. Andreoni, Chem. Phys. Lett., 243: 183 (1995). 16. М. Е. Соловьев, М. М. Соловьев, Компьютерная химия (Москва: Солон- МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ Si НАНОЧАСТИЦ 715 Пресс: 2005). 17. С. С. Бацанов, Структурная химия. Факты и зависимости (Москва: Диа- лог-МГУ: 2000). 18. J. J. P. Stewart, J. Comput. Chem., 12: 320 (1991). 19. В. И. Минкин, Б. Я. Симкин, Р. М. Миняев, Теория строения молекул (Рос- тов-на-Дону: Феникс: 1997). 20. Т. Кларк, Компьютерная химия (Москва: Мир: 1990). 21. S. K. Ignatov, A. G. Razuvaev, V. N. Kokorev, and Yu. A. Alexandrov, J. Phys. Chem., 100: 6354 (1996). 22. П. И. Баранский, В. П. Клочков, И. В. Потыкевич, Полупроводниковая электроника. Свойства материалов (Киев: Наукова думка: 1975).

Ähnliche Einträge