Особенности электронного строения и поверхностных свойств полупроводниковых наноструктур для фотоники

• Автор: Минибаев, Руслан Филаритович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 116 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Свойства и применение материалов на основе оксида индия

1.2 Полупроводниковые соединения на основе халькогенидов кадмия CdX (X=S, Se,

1.3 Поверхность силикагеля. Взаимодействие с молекулами

1.4 Методика расчетов из первых принципов

1.4.1 Теория Функционала плотности

1.4.2 Приближения для обменно-корреляционной энергии

1.4.3 Метод псевдопотенциала

1.4.4 Метод учета дисперсионных взаимодействий
1.4.5. Схема проведения расчетов из первых принципов
Приближение кристаллических пластин
1.5 Постановка задачи
1.6 Параметры расчетов
Глава 2. Оксид индия ІП3О3 и IrOnSn
Глава 3. Свойства поверхности наноразмерных пленок на основе халькогенидов кадмия: CdS, CdSe, CdTe
2.1 Исследование поверхностных свойств наноразмерных пленок со структурой «ядро/оболочка»
2.2 Влияние стабилизирующего органического слоя на электронные свойства поверхности пленок
Глава 4. Исследование адсорбции простых молекул на поверхности силикагеля
4.1 Построение модели силикагеля
4.2 Адсорбция простых молекул на поверхности силикагеля
Заключение
Список литературы

Введение
Теоретическое предсказание характеристик и свойств практически важных материалов, а также теоретический поиск новых материалов, обладающих теми или иными заданными свойствами или характеристиками с использованием методов атомистического моделирования является одной из важнейших проблем современного материаловедения. Особое значение такое моделирование строения и свойств материалов приобретает в случае наноразмерных и наноструктурированных материалов, поскольку экспериментальные исследования в этой области требуют огромных затрат времени и материальных ресурсов.
Наноразмерные объекты, такие как квантовые точки (quantum dots. QD) и квантовые ямы (quantum wells, QW), вызывают большой интерес исследователей благодаря тому, что они обладают многими специфическими свойствами, не присущими объемным кристаллическим системам. Квантовые точки и квантовые ямы широко используются для создания различных оптоэлектронных устройств [1], в качестве флуоресцентных материалов в химических сенсорах [2], в биотехнологии [3], в медицинской диагностике [4] и во множестве других применений (см, например [5]). Большой интерес вызывают наноразмерные системы типа ядро-оболочка [б], использование которых позволяет значительно улучшить эффективность и стабильность флуоресценции рассматриваемых материалов. В последнее время интенсивно исследуются многослойные наносистемы типа ядро-оболочка с "луковичной" структурой, получившие название "квантово-точечные квантовые ямы" (quantum-dot quantum wells, QDQW), впервые описанные в работах [7—9]. Подобные наночастицы обычно представляют собой сферические системы типа ядро-оболочка, состоящие из двух различных полупроводниковых материалов, в которых материал с меньшей шириной запрещенной зоны расположен между ядром и внешней оболочкой, состоящих из материала с большей шириной запрещенной зоны.
Сложные гибридные органические/неорганические материалы также вызывают огромный научный интерес. Благодаря комбинированию органического вещества и неорганического полупроводникового материала появляется возможность варьировать и, следовательно, получать материалы с заданными характеристиками, такими как спектр излучения, работа выхода, или ширина запрещенной зоны. Покрытие неорганических наноразмерных частиц органическим слоем стабилизирует поверхность частиц и позволяет избежать их слипания. Изучение взаимодействия органических красителей с

неорганической подложкой является актуальным направлением исследований в современной нанофогонике. Так, например, одной из практических задач является создание материалов для газовых оптических хемосенсоров, которые способны обнаруживать присутствие небольшого количества примесей в газовой фазе по изменению спектральных характеристик сенсорного материала.
Важную роль в определении свойств различных оптоэлектронных устройств на основе наноразмерных и наноструктурированных материалов играет структура поверхностей и интерфейсов, а также процессы, протекающие в этих областях. Здесь можно выделить ряд важных и взаимосвязанных задач. Во-первых, это изучение поверхностей полупроводниковых материалов в зависимости от их состояния и состава, изучение атомного строения поверхностей, их свойств, в том числе и электронных. Во-вторых, изменение свойств поверхности полупроводника при нанесении стабилизирующего компонента (как правило, органическая молекула). В-третьих, взаимодействие поверхности полупроводника с простыми молекулами и их адсорбция на поверхности. И. в-четвертых, исследование адсорбции сложных органических молекул на поверхности полупроводниковых соединений.
В соответствии со сказанным в данной работе с использованием атомистического моделирования на основе методов теории функционала плотности выполнен комплекс теоретических расчетов атомной и электронной структуры поверхностей некоторых практически важных полупроводниковых материалов, таких как оксид индия 1п203; оксид индия, легированный оловом (indium tin oxide, ITO), халькогениды кадмия CdX (где X = S, Se, Те) и силикагель. Данные системы широко используются в различных оптоэлектронньтх, фотосенсорных и прочих устройствах.
Цель работы состояла в том, чтобы предсказать и интерпретировать основные поверхностные и электронные свойства многокомпонентных, в том числе гибридных органических/неорганических систем, на основе наноразмерных полупроводниковых гонких пленок. Были поставлены следующие основные задачи по исследованию объемных и поверхностных свойств выбранного набора полупроводниковых соединений:
1. Расчет электронных свойств и структуры поверхностных слоев 1п2Оз и ITO. Анализ предпочтительных расположений примесных атомов олова в поверхностных слоях оксида индия.
2. Расчет и интерпретация зависимости работы выхода электрона от степени окисления поверхности оксида индия и ITO.

1.4 Методика расчетов из первых принципов
1.4.1 Теория Функционала плотности
Полную информацию о любой физической системе, состоящей из атомов, можно получить, решив соответствующее уравнение Шредингсра
Твердое тело можно рассматривать как совокупность тяжелых, положительно заряженных, частиц (ядра) и легких, имеющих отрицательный заряд (электроны). Если мы имеем N ядер, то мы сталкиваемся с проблемой электромагнитного взаимодействия N+ZN частиц. Это так называемая проблема многих тел.
Точный гамильтониан многочастичной системы будет иметь вид [91]
где М. - масса ядер находящихся в положениях Я;, а т1 масса электронов, расположенных в точках 7Г Первый член в уравнении (1.2) описывает кинетическую энергию ядер, а второй - кинетическую энергию электронов. Остальные три члена описывают кулоновские взаимодействия между электронами и ядрами, электронов между собой, и ядер между собой. Решить это уравнение даже для несложных систем, как правило, невозможно.
Для упрощения данной задачи используют приближение Борна - Оипенгеймера. Так как ядра очень тяжелые и, следовательно, движутся гораздо медленнее, чем электроны, то можно зафиксировать положения ядер и рассматривать движение электронов в поле неподвижных ядер. В таком приближении остаются N7 электронов, двигающихся во внешнем потенциале ядер и взаимодействующих между собой посредством кулоновского электрон-электронного взаимодействия. Таким образом, в сокращенном виде уравнение гамильтониан (1.2) можно записать следующим образом:
где Те — это кинетическая энергия электронов, V — внешний потенциал положительно заряженных остовов, V — электрон-электронное взаимодействие. Э го приближение было в свое время успешно использовано при расчете энергии связи и межъядерного расстояния молекулы водорода. Квантовая задача многих тел после принятия приближение Борна -Оппенгеймера хоть и стала проще, но все равно еще остается крайне сложной для решения. Для расчета системы с большим количеством частиц одного этого приближения
(1.1)
Н = Те + V + и,
(1.3)