Адсорбция галогенов на поверхности (001) соединений AIIIBV и интерфейсные свойства границ раздела AIIIBV / сплав Гейслера

• Автор: Бакулин, Александр Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 197 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Методы расчета атомной и электронной структуры твердых тел

1.1 Методы теории функционала электронной плотности

1.2 Метод псевдопотенциала

1.3 Метод проекционных присоединенных волн

1.4 Электронная структура и свойства объемных полупроводников АШВУ

1.5 Основные выводы

2 Атомная и электронная структура поверхности (001) полупроводников АШВУ

2.1 Теоретические исследования атомной и электронной структуры реконструированных полупроводниковых поверхностей

2.2 Методика расчета атомной и электронной структуры поверхности АШВУ(001)

2.3 Атомная и электронная структура основных реконструкций поверхности
СаАз(001)
2.4 Атомная и электронная структура основных реконструкций поверхности (001) полупроводников ІпАз, ваР и 1пР
2.5 Новая реконструкция поверхности ОаАз(ООІ)
2.6 Основные результаты и выводы
3 Адсорбциях галогенов на поверхности АШВУ(001) с реконструкцией ^(4x2)
3.1 Теоретическое и экспериментальное изучение поверхности АШВУ(001) с адсорбатамн
3.2 Адсорбция галогенов на поверхности фОаАз(001)-(4*2)
3.3 Адсорбция галогенов на поверхности ф1пА5(001)-(4х2)
3.4 Влияние адсорбции галогенов на энергию связи поверхностных атомов
полупроводников А1ПВУ
3.5 Влияние концентрации галогенов на атомную и электронную структуру поверхности с С(4Х2) реконструкцией
3.6 Основные результаты и выводы
4 Особенности адсорбции галогенов на катион- и анион-стабилизированных полярных поверхностях
4.1 Адсорбция галогенов на рЗ'-1пА$(001)-(4х2)
4.2 Адсорбция галогенов на поверхности 1пР(001) со структурой смешанного
димера
4.3 Адсорбция галогенов на анион-стабилизированной поверхности СаАз(001) с Р2(2Х4) реконструкцией

4.4 Основные результаты и выводы
5 Атомная и электронная структура границ раздела между полуметаллическими сплавами
Гейслера и полупроводниками АШВУ
5.1 Теоретическое изучение интерфейсных свойств границ раздела сплав Гейслера —
полупроводник АШВУ
5.2 Атомная и электронная структура границы раздела NiMnSb/AmBv(l 10)
5.3 Спиновая поляризация и адгезия на границе раздела (110) между полными сплавами
Г ейслера и GaAs
5.4 Основные результаты и выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Введение
Актуальность работы. Разработка новых материалов и современных технологий невозможна без детального понимания природы физико-химических свойств низко-размерных и гибридных структур на атомном уровне. Многие важные явления и процессы, такие как сорбция-десорбция газов, катализ, коррозия и др., протекающие на поверхности материалов, критически влияют на их свойства и имеют определяющее значение для разработки, создания и производства перспективных материалов. Развитие важных с точки зрения современной науки методов, таких как молекулярно-лучевая эпитаксия, атомно-слоевое травление, ионное легирование, также напрямую зависит от понимания процессов на поверхности твердого тела и в тонких пленках. Поэтому исследование атомной и электронной структуры, а также физико-химических и механических свойств поверхности, тонких пленок и других низко-размерных структур является приоритетным направлением в современной физике конденсированного состояния. Особый интерес связан с полупроводниковыми поверхностями и гибридными структурами на их основе, поскольку эти материалы нашли широкое практическое применение в микроэлектронике, спинтронике, оптоэлектроние и других областях современной индустрии. Поверхности соединений АП1В' обнаруживают большое разнообразие электронных свойств в зависимости от их ориентации, структуры и состава, а также дефектов и адсорбированных атомов [1]. Изучение таких поверхностей представляет большой интерес как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения [2]. Такие исследования позволяют достичь более глубокого понимания факторов, влияющих на формирование поверхностных структур, а также механизмов химической связи с адсорбатами, на границах раздела со сплавами, оксидами и другими материалами, что принципиально важно для разработки новых материалов и совершенствования современных нанотехнологий [3-5]. Систематические исследования атомной и электронной структуры материалов и низко-размерных структур необходимы также для создания моделей, позволяющих описывать поведение как уже известных материалов, так и прогнозировать свойства новых. Такие исследования принципиально важны для разработки новых наноструктурных материалов, свойства которых будут определяться локальным химическим составом и структурой на атомном уровне. Определение стабильных поверхностных структур в зависимости от химического состава поверхностей соединений АШВУ остается актуальной задачей современной физики поверхности и физики конденсированного состояния, поскольку в настоящее время имеются противоречивые экспериментальные и теоретические данные как о стабильных поверхностных структурах, так и интервалах их существования. Одна из проблем, связанная с изучением полярной поверхности АШВУ(001), обусловлена разнообразием формирующихся структур на поверхности этих соединений [6]. Остается дискуссионным вопрос о стабильных реконструкциях в катион-

подразумевает фазовый переход от С(4*2) к (2Х4) структуре при увеличении концентрации галлия. Заметим, что экспериментально реконструкция смешанного димера на СаАя(001) не подтверждена.
Кроме отмеченных выше реконструкций поверхности арсенида галлия в литературе имеются экспериментальные и теоретические исследования структур с другой симметрией. Например, в работе [108] методом электронной дифракции была обнаружена (1 х6) реконструкция, не являющаяся равновесной, но выполняющая роль переходной структуры между Аб- и Са-обогащенной поверхностью. Авторы [108] также отмечают, что необходимо различать настоящие (4Х6) структуры, являющиеся более обогащенными галлием, чем (4x2) и псевдо (4Х6) структуры, которые в действительности состоят из смеси (1х6), (4Х2) и настоящих (4Х6) фаз. Формирование (4Х6) реконструкций авторы [108,130] объяснили наличием на поверхности с (4x2) периодичностью более редко расположенных галлиевых кластеров, содержащих от шести до восьми атомов галлия. Методом БТМ в работах [131, 137] были обнаружены (2Х6) и (6Х6) поверхностные структуры. Расчеты [105] показали, что поверхностная энергия такой (2Х6) структуры на 34 мэВ/(1х1) выше, чем а(2><4) реконструкции.
13 работе [138] авторы выполнили расчеты 362 поверхностных структур, для построения которых воспользовались идеями, предложенными в работах [92, 104, 105]. В работе отмечается, что стабильными являются структуры: £(4x2), р2(2х4), с(4х4) с тремя смешанными димерами, с(4х4) с тремя димерами, два из которых смешанные, и с(4х4) с тремя мышьяковыми димерами. Кроме того, наименьшую поверхностную энергию имеет с(4х4)-ЗС структура, суперячейка которой больше, чем для обычной с(4х4) реконструкции, однако детально данная реконструкция не обсуждается.
Как видно из данного обзора поверхность СаАя(001) достаточно интенсивно изучалась на протяжении последних десятилетий. В рассмотренных выше работах основное внимание уделялось атомной структуре реконструкций и анализу межатомных длин связей в поверхностных слоях. В то же время значительно меньше внимания уделялось электронной структуре даже основных реконструкций данной поверхности. Ниже рассматривается несколько работ, в которых обсуждалась электронная структура поверхности С1аАз(001).
В одной из первых работ [115], посвященных изучению электронной структуры СаАБ(001), было рассчитано распределение зарядовой плотности. Хотя авторы и приводят в работе соответствующие рисунки для идеальной и релаксированной поверхности при степени покрытия 0.5 МЛ, и также с димерами при степени покрытия 1 МЛ, но детально их не обсуждают. По увеличению электронной плотности вблизи более электроотрицательного мышьяка можно сделать вывод об ионно-ковалентном характере связей между атомами. Расчет электронного энергетического спектра а(2х4), (1(2><4) и р2(2х4) реконструкций, а также анализ локализации поверхностных состояний (ПС) впервые был проведен в [90]. Авторы показали, что занятые ПС (рис. 2.6) локализованы на атомах мышьяка.