Электронное строение и энергетический спектр поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами 3d- и 4d- элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Перминов, Владимир Николаевич

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Перминов, Владимир Николаевич

1 Электронное строение и энергетические схемы различных модификаций диоксида кремня (обзор экспериментальных и расчетных данных).

1.2 Энергетические зоны диоксида кремния.

1.3 Особенности строения алюмосиликатов.

1.4 Структура силоксановых участков дегидроксидированной поверхности 8Юг.

1.5 Модифицирование поверхности БЮг ионами бора, алюминия, титана и других элементов.

Выводы к первой главе.

2 Модельные подходы и расчетные схемы в теории электронного строения и энергетического спектра твердофазных структур (включая поверхность).

2.1 Зонные методы в теории кристаллических твердых тел.

2.2 Циклические модели твердых тел.

2.3 Кластерные модели.

2.4 Кластерные модели с подавлением граничного эффекта.

2.5 Кластеры с граничными псевдоатомами.

2.6 Молекулярно-орбитальные вычислительные схемы, применимые к кластерным расчетам твердотельных структур.

2.6.1 Ограниченный метод Хартри-Фока-Рутана.

2.6.2 Неограниченный метод Хартри-Фока-Рутана.

2.6.3 Выбор базисных атомных функций.

2.6.4 Учет электронной корреляции.

2.6.46 Многоконфигурационное приближение.

2.6.4в Многочастичная теория возмущений.

2.6.4г Методы функционала плотности.

2.7 Неэмпирические расчеты в валентном базисе с учетом влияния внутренних (невалентных) электронов путем введения эффективного псевдопотенциала.

2.8 Полуэмпирическая расчетная схема МЫБО.

2.9 Структура энергетического спектра электронов объемной структуры диоксида кремния. Сравнительный анализ результатов расчета в рамках различных кластерных моделей и расчетных схем.

2.10 Схема расчета колебательных частот многоатомной системы. 58 Выводы к второй главе.

3 Особенности строения поверхности различных модификаций диоксида кремния.

3.1 Строение поверхности БЮг в условиях неполного дегидроксидиро-вания.

3.2 Структура поверхности диоксида кремния и ее электронно-энергетические характеристики в условиях жесткого дигидроксидирования.

Выводы к третьей главе.

4 Особенности электронного строения и энергетического спектра поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами переходных металлов.

4.2 Модель поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами переходных элементов.

4.3 Энергии ионизации электронов и электронного сродства поверхностных центров диоксида кремния, модифицированного ионами 3(1 - металлов.

4.4 Электронно-энергетический спектр поверхности модифицированного диоксида кремния.

4.4.1 МЫОО-расчет энергетического спектра одноэлектронных состояний поверхностных центров, содержащих ионы

4.4.2 Энергетический спектр валентных электронов поверхности диоксида кремния, модифицированного элементами 3<1 — и 4<1 — ряда. Неэмпирический расчет в рамках модели квазимолекулярного кластера.

4.4.3 Расчет энергетического спектра электронов поверхности 8102, модифицированной ионами 3(1 - элементов (неэмпирический неограниченный метод Хартри-Фока-Рутана в базисе 6 - 3 Ш*).

4.4.4 Электронно-энергетические характеристики поверхностных центров диоксида кремния, легированного ионами 3с1 - элементов. Сравнительный анализ результатов, полученных в рамках различных моделей и базисов неэмпирических расчетных схем.

Выводы к четвертой главе.

5 Электронно-энергетические характеристики Ме п+(3с1) - модифицированной поверхности диоксида кремния, покрытой адсорбционным слоем молекул аммиака.

5.1 Особенности спектра одноэлектронных состояний, обусловленного Меп+(3с1) - центрами модифицированной поверхности БЮг, обработанной аммиаком.

5.2 Особенности взаимодействия молекул аммиака с поверхностью

БЮг, модифицированного ионами 3(1 - элементов.

Выводы к пятой главе.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Физическая электроника», 01.04.04 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронное строение и энергетический спектр поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами 3d- и 4d- элементов»

Актуальность темы. Разработка конструкционных материалов для элементов радиоэлектронных, микроэлектронных, а также наноэлектронных устройств - одно из перспективнейших направлений современного материаловедения. Основу соответствующих материалов составляют в основном диэлектрические и полупроводниковые твердотельные структуры, среди которых диоксид кремния (ДК) и его производные занимают особое место, т.к. технологически поверхность ДК легко состыковывается с металлическими и полупроводниковыми структурами другой природы, что обеспечивает создание соответствующих контактов, приводящих к требуемым электронно-энергетическим эффектам в конструируемых устройствах. Кроме того, поверхность кристаллических модификаций ДК позволяет синтезировать на ней поверхностные соединения нано-размеров (нано-островковые поверхностные структуры), обладающие в зависимости от атомно-молекулярной природы этих образований разнообразными электронно-энергетическими характеристиками, целенаправленное изучение которых должно способствовать выявлению новых физических эффектов, которые можно было бы применить в соответствующих наноэлектронных приборах.

Электронная структура и энергетический спектр, отвечающие объемной структуре БЮ2 достаточно хорошо изучены. Что же касается поверхности ДК (ее свойства существенно зависят от технологии синтеза), а тем более модифицированной ионами различных элементов, то в этом направлении к настоящему времени известны лишь единичные исследования, в основном касающиеся боро- и алюмосиликатов. Возможные поверхностные структуры, обусловленные легированием диоксида кремния соединениями переходных элементов, могли бы стать основой новых уникальных материалов микро- и наноэлектроники. Поэтому моделирование и квантово механический расчет электронного строения и энергетического спектра соответствующих поверхностных структур представляется важной и актуальной задачей физической электроники.

Целью диссертационной работы является моделирование и квантово-химический расчет электронного строения и спектра одноэлектронных состояний поверхностных центров диоксида кремния, модифицированного ионами 3(с1)- и 4((1)- переходных элементов.

При достижении поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Анализ моделей и расчетных схем теории электронно-энергетического строения многоатомных систем (включая кристаллические), наиболее подходящих для исследования электронной структуры и особенностей энергетического спектра поверхностных центров диоксида кремния, модифицированного ионами переходных элементов.

2. Сравнительный анализ результатов расчета энергетического спектра электронов объемной структуры диоксида кремния, выполненного для кластерных моделей различных размеров в рамках неэмпирических схем в малом и расширенном базисе, по методу функционала плотности и с использованием полуэмпирической процедуры МЫЭО.

3. Выявление особенностей структуры и энергетических состояний поверхности дегидроксидированных в жестких условиях различных фазовых модификаций диоксида кремния (НХФ - расчет в расширенном базисе с учетом корреляционных поправок).

4. Построение и обоснование оптимальных для расчета моделей поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами элементов первого (3(1-) и второго (4(1-) переходных периодов.

5. Исследование зависимости энергий ионизации электрона и электронного сродства поверхностных центров БЮг с выходящими на поверхность ионами 3(1 - элементов в зависимости от типа иона и степени его окисления.

6. Изучение особенностей электронной структуры и энергетического спектра валентных электронов поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами Зё- и 4(1- элементов с различными степенями окисления (по данным полуэмпирических и неэмпирических расчетов кластерных соответствующих моделей).

7. Исследование спектра одноэлектронных состояний, обусловленного поверхностью модифицированного Me(3d) - SiC>2, покрытой адсорбционным слоем молекул аммиака, изучение особенностей взаимодействия NH3 с выступающими на поверхность ионами 3d - элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем: проведенный сравнительный анализ спектров энергий электронов объемной фазы SiC>2, позволил обосновать оптимальные для расчета размеры кластерной модели и молекулярно-орбитальную вычислительную процедуру; получены непротиворечивые данные по электронному, геометрическое му и энергетическому строению поверхностных центров различных структурных фаз диоксида кремния, подвергнутому жесткому дегид-роксидированию; построены квазимолекулярные (кластерные) модели поверхности Me(d) - модифицированного диоксида кремния оптимальных размеров, адекватно передающие электронно-энергетические характеристики моделируемых систем; получена зависимость (от порядкового номера элемента и степени окисления иона) электронного сродства и энергий ионизации электр- к нов поверхностных центров диоксида кремния, модифицированной) ионами 3d- элементов; выявлены особенности электронного строения и спектра энергий одно-электронных состояний поверхности SiCb, модифицированного ионами 3d- и 4d- элементов в различных степенях окисления; проведен анализ энергетического спектра валентных электронов, Me(3d) - модифицированной поверхности диоксида кремния, взаимодействующей с адсобированными молекулами аммиака; получены электрофизические характеристики системы, обусловленные соответствующими хемосорбционными контактами.

Практическая ценность работы. Результаты, полученные при исследовании особенностей энергетического спектра электронов, обусловленные элементами поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами Зс1-и 4с1- переходных элементов, могут быть использованы для целенаправленного поиска конструкционных материалов микро- и наноэлектронных устройств с требуемыми электрофизическими характеристиками. Результаты диссертационной работы использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы по теме № 29.230 «Исследование взаимодействие электронных волн и электронных потоков со средами», выполнены 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, обучающихся по специальности 01.04.00-физика.

Достоверность результатов следует из корреляции некоторых из полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными, а также определяется ранее установленной достоверностью результатов, полученных применением использованных расчетных схем к изучению экспериментально полно исследованным многоатомным (включая кристаллические) системам.

Основные положения и результаты выносимые на защиту:

1. Модели поверхности диоксида кремния (ДК): а) в условиях жесткого дегидроксидирования (ЖД); б) модифицированной ионами переходных элементов (Э).

2. Модель хемосорбционного взаимодействия молекул аммиака с поверхностными Э(3с1)- центрами ДК.

3. Результаты неэмпирических расчетов особенностей строения и энергетического спектра электронов поверхности диоксида кремния в условиях ЖД.

4. Электронное строение и энергетический спектр одноэлектронных состояний: а) поверхности диоксида кремния, модифицированного ионами 3d- и 4d- элементов; б) модифицированной Зскэлементами поверхности ДК, покрытой адсорбированным слоем молекул аммиака.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты докладывались и обсуждались на III международном семинаре по компьютерному моделированию электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах (Воронеж, апрель, 2004г), Международном семинаре по физико-математическому моделированию систем (Воронеж, октябрь, 2004г), 8-й школе-семинаре имени В.А. Фока по квантовой и компьютерной химии (Великий Новгород, апрель, 2004г), VI международном конгрессе по математическому моделирование (Нижний Новгород, сентябрь, 2004г), II Международном семинаре по физико-математическому моделированию систем (Воронеж, декабрь, 2005г), научной конференции Волгоградского государственного технического университета (2004г).

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 123 наименований. Общий объем составляет 131 страницу, включая 40 рисунков и 8 таблиц.