Компьютерное моделирование структуры и кооперативной атомной динамики метастабильных состояний кремния

• Автор: Потемкина, Елена Владимировна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 159 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Структура и свойства разупорядоченных фаз кремния:
реальный и компьютерный эксперимент
2. Формализм метода молекулярной динамики и параметризация
многочастичных потенциалов взаимодейстия
2.1. Метод квантовой динамики для систем с ковалентным типом межатомных связей
2.2. Расчет парного вклада в потенциал межчастичного взаимодействия кремния и германия на основе модельнопараметрического форм-фактора псевдопотенциала
2.3. Сравнительный анализ параметрических модельных потенциалов Терцоффа и Стиллинджера-Вебера в молекулярно-динамических расчетах неупорядоченных состояний кремния
2.4. Модификация метода МД для учета трехчастичных вкладов
межатомных потенциалов взаимодействия в кремнии
3. Молекулярно-динамическое моделирование аморфизации расплава кремния.
3.1. Термодинамические и кинетические параметры процесса стеклования
3.2. Изменение структуры и атомной кооперативной динамики
при стекловании МД-модели расплава кремния
3.2.1. Структура
3.2.2. Динамические свойства
3.3. Анализ трехчастичных коррелляций МД-модели аморфного кремния. Сравнение с данными рентгеновской абсорбционной спектроскопии (ХА8-метод)
4. Молекулярно-динамическое моделирование изомеризации нанокластеров кремния при нагреве и плавлении
4.1. Статистическая термодинамика кластеринга
4.2. Диффузионный механизм и структурные изменения при термической изомеризации и плавлении нанокластеров кремния
4.3. Моделирование нагрева, плавления и разрушения гипотетических нанокластеров 81П(П<60) со структурой
фуллерена
Заключение
Литература
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Кремний является базовым материалом в технологии микроэлектроники. Знание структуры и физико-химических свойств расплава кремния может помочь найти возможность целенаправленного изменения технологии выращивания монокристаллов с заданной степенью дефектности и, следовательно, требуемыми электрофизическими свойствами.
Традиционный подход к управлению свойствами полупроводниковых материалов основан на использовании процессов легирования их примесями, создающими определённые электронные уровни в запрещённой зоне. В последние годы активно развивается новый подход к управлению свойствами полупроводников, основанный на формировании в полупроводниковой аморфной матрице наноразмерных кластеров, в состав которых могут входить атомы вводимых примесей, атомы собственных компонентов, а также собственные точечные дефекты кристаллической решётки [1-3]. С этой точки зрения актуальным представляется не только последовательное изучение строения и свойств расплавов аморфного кремния, процессов аморфизации, но и метастабильных состояний нанокластеров, дефектообразования, изомеризации, диффузионных механизмов при нагреве, плавлении, других структурно-фазовых изменений.
Знание взаимозависимости структуры и особенностей кооперативной динамики атомов для различных состояний кремния позволяют целенаправленно влиять при изменении внешних параметров на процессы фазовых изменений, получать в конечном итоге необходимые служебные характеристики новых материалов, перспективных для развития микроэлектроники и нанотехнологий.
Методы исследования.
Ранее структура жидкого и аморфного кремния исследовалась дифракционным методом и методом нейтронографического эксперимента [4-5]. Однако расшифровка дифракционной картины не является однозначной и не даёт достаточного количества информации об особенностях структуры вещества, так как отражает усреднённую картину по всему объёму образца.
Наиболее эффективно изучена структура аморфного кремния методом Монте-Карло, основанная на исследовании молекулярно-динамического (МД) моделирования.
В настоящее время компьютерный эксперимент является одним из основных инструментов исследования физико-химических свойств веществ. Методы молекулярной динамики (МД) и Монте-Карло - наиболее прогрессивные методы компьютерного моделирования. Они позволяют почти из “первых принципов” определить целый ряд свойств исследуемых веществ, энергетические, структурные, термодинамические, спектральные, коэффициенты переноса. При использовании этих методов можно исходить из взаимных корреляций свойств при вариации условий (высокие давления и изменения состава, температура, внешние силы), в т.ч. в областях, недостижимых для реального эксперимента.
Фундаментальной проблемой метода МД-моделирования в применении к системам с ковалентной связью, к которым относится кремний, является адекватное описание потенциалов межчастичного взаимодействия.
В работе [6] приведены результаты моделирования аморфного кремния (а-81) из расплавленного кремния на основе первопринципного метода с постепенным увеличением объёма МД ячеек при отрицательном давлении. Структурные, динамические и электрические свойства созданного с помощью компьютера а-81 находятся в хорошем согласии с экспериментом. Однако первопринципные методы чрезвычайно трудоемки, требуют значительных затрат машинного времени суперкомпьютеров при относительно ограниченных возможностях моделирования многочастичных систем - не более 40 атомов в модели.
Практически все МД-исследования (инертные газы, металлы) используют парную аппроксимацию потенциала, игнорируя ковалентность в межчастичных взаимодействиях, т.е. исходят из принципа парной аддитивности. При исследовании аморфного состояния необходимо знание полной потенциальной функции, поскольку в системе нельзя ограничиться набором очень малых смещений. В системах с ковалентной связью (например, кремний) допустимо ограничиться рассмотрением только двух слагаемых - вкладов от двух- и трёхчастичного взаимодействий, что вполне достаточно для корректного описания угловых корреляций разупорядоченных фаз конденсированных систем.

Рис. 2.1 Рассчитанные по методу функционала плотности (ОРТ)
псевдопотенциалы, у(к) = А М(к)/Ук х(к, Р.з) для Бі и Ое в зависимости от волнового вектора к. Кулоновский потенциал Ук = 4л:/к2; Д14(к) = Ы(к) - Иср; х(гі, г3) — электронная функция отклика; Рз, Rwz - соответственно, радиусы Вигнера-Зейтца и “электронной сферы”. Для Бі при значении плотности 2.515 г/см2 [42] они равны Рід = 1.9357 а.е. и Идуг = 3.0727 а.е. (соответствует Т
1773 К).