Внедрение примесных атомов в наноразмерные полупроводники ZnO, AlN, InN : рентгеноспектральная диагностика и компьютерное моделирование

• Автор: Гуда, Александр Александрович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Ростов-на-Дону
• Количество страниц: 100 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Методы исследования

1.1 Экспериментальные методы спектроскопии рентгеновского поглощения

1.2 Теоретические методы расчёта электронной структуры вещества

1.3 Расчёт спектров рентгеновского поглощения

2. Локальная спин-поляризованная электронная структура нанопроводов ZnO:Mn

3. Локальная атомная и электронная структура наноигл AlN:Cu

4. Локальная атомная и электронная структура тонких пёнок InN:N2

Основные результаты и выводы:

Список цитированной литературы

Основные публикации автора по теме диссертации

Введение
Актуальность темы
Контролируемое получение новых свойств у стандартных полупроводниковых материалов необходимо для развития спинтроники (материалы для детектирования, транспортировки и хранения спин-поляризованных токов и зарядов), электроники (материалы для прозрачных электродов и микросхем на гибких подложках) и фотоники (материалы для солнечных батарей, использующих весь солнечный спектр, наноразмерных светодиодов). Оксид цинка ZnO, нитрид алюминия A1N и нитрид индия InN давно используются для создания гетеропереходов и р-n переходов - основы полупроводниковых устройств [1-4]. Ширина запрещённой зоны и расположение примесных уровней внутри неё определяют тип проводимости полупроводника, степень спиновой поляризации носителей заряда и характеристики оптических переходов при поглощении или излучении света. Практически важным является создание материала с заданной зонной структурой (зонная инженерия) посредством контролируемого внедрения дефектов внутрь кристаллической решётки полупроводника [5]. Большая экспериментальная [6,7] и теоретическая [8,9] работа была проделана за последнее десятилетие с целью получения высококачественных образцов разбавленных магнитных полупроводников и объяснения основ ферромагнитного упорядочения в них.
В настоящей работе были исследованы образцы допированных тонких плёнок и нанопроводов на основе AIN, InN и ZnO со структурой вюрцита. Оксид цинка w-ZnO обладает запрещённой зоной шириной З.ЗэВ при комнатной температуре и большой энергией связи экситона (бОмэВ). Нанопровода ZnO на гибкой подложке могут использоваться для создания пьезоэлектрических элементов питания [10, 11], причём было показано, что они биосовместимы [12]. На основе ZnO были созданы прозрачные

тонкоплёночные транзисторы [13] при комнатной температуре синтеза, что позволяет использовать аморфное стекло или полимеры в качестве подложки. Это открывает перспективы для создания прозрачной и гибкой электроники [14]. После теоретической работы [15], предсказывающей ферромагнитное упорядочение магнитных моментов в ZnbxMnxO при комнатной температуре, появилась серия экспериментальных подтверждений этой гипотезы [16], что делает оксид цинка привлекательным и для спинтроники.
Нитрид алюминия w-AIN среди всех нитридов 3-й группы имеет максимальную ширину запрещённой зоны (6.2 эВ при комнатной температуре) [17]. На его основе создан светодиод с длиной волны 210 нм [18]. Этот материал может выдерживать температуры до 3000К, а эпитаксиально выращенные кристаллы нитрида алюминия используются для поверхностных сенсоров акустических волн на подложке кремния благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам. Используя технологию послойного роста плёнок A1N с помощью импульсного лазерного напыления можно получать высококачественные кристаллические образцы и гетеропереходы, такие как AlN/ZnO [19]. Это многообещающий материал для спинтроники, поскольку при допировании атомами переходных металлов он приобретает ферромагнитные свойства с высокой температурой Кюри [20-23]. Эксперименты подтверждают комнатные ферромагнитные свойства образцов A1N, дотированных атомами Mg, V, Cr, Mn, Fe, Со и Ni [24-30]. Ab initio расчёты электронной структуры нитрида алюминия, допированного Са, Mg и атомами переходных металлов [31-34], также подтверждают возможность ферромагнитного упорядочения. Расчёты показывают, что дефекты замещения алюминия приводят к полуметаллической зонной структуре со 100% спиновой поляризацией носителей заряда на уровне Ферми. Магнитные моменты локализуются внутри тетраэдра N4 из 4-х азотов в 1-й координационной сфере внедрённого на место А1 примесного атома.

Спектроскопия рентгеновского поглощения позволяет определять параметры структуры в пределах погрешности 0,02 Ангстрема [72]. Но для выделения структурной информации, особенно из спектров ХАМЕв, необходимо проведение сложных теоретических расчетов.
Своими успехами методика рентгеновской спектроскопии поглощения обязана, в большей степени, достижениям теории, которые привели к полному количественному пониманию эксперимента. Таким образом, для получения информации о структуре и электронном строении веществ из экспериментальных ХАБ спектров, необходимо проведение сложных расчетов на основе современных теоретических методов с привлечением мощных вычислительных ресурсов.
Протяженная структура рентгеновского поглощения (ЕХАЕЗ) позволяет достаточно точно определять координационные числа и длины связей, однако, её чувствительность к углам связи достаточно низкая. Спектроскопия околопороговой структуры рентгеновского поглощения (ХАЕТЕЗ) во многих случаях чувствительна не только к длинам, но и к углам химических связей. Оптимизация спектров ХАКЕБ с использованием расчетов методом полного многократного рассеяния была впервые реализована в программе МХАЫ [73]. Это метод был применен к исследованию А1:Тл203 [74]. Недавно в нашей лаборатории был разработан альтернативный подход, основанный на многомерной интерполяции спектров ХАМЗЗ и позволяющий учитывать большие кластеры атомов в расчетах многократного рассеяния (программа БйИ, [75,76]). В настоящей работе данный метод был применён для исследования дефектов в твердом теле, в частности замещения атомом марганца в позицию марганца в решетке
гпо.
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом описывается следующим гамильтонианом:
Н=Не1+Ну+Нш, (1.24)