Исследование термодинамических свойств многокомпонентных соединений AIIIBV методом поля валентных сил тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат физико-математических наук Подольская, Наталья Игоревна

• Подольская, Наталья Игоревна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Подольская, Наталья Игоревна

Условные обозначения

Введение 8,

1. Методы исследования термодинамических свойств и микроструктуры многокомпонентных соединений тетраэдрических полупроводников

1.1. Экспериментальные методы.

1.1.1. Методы исследования термодинамических свойств полупроводниковых материалов.

1.1.1.1. Традиционные соединения АШВУ

1.1.1.2. Нитриды III группы.

1.1.2. Методы и результаты исследования микроструктуры многокомпонентных соединений тетраэдрических полупроводников.

1.1.2.1. Основные подходы к изучению микроструктуры многокомпонентных соединений АШВУ

1.1.2.2. Особенности микроструктуры многокомпонентных соединений А1ПВУ

1.2. Теоретические методы.

1.2.1. "Инженерные" модели

1.2.1.1. БЬР-модель.

1.2.1.2. Модель Феддерса и Мюллера.

1.2.1.3. Модель Фукуи.

1.2.2. Прямое моделирование дисторсии кристаллической решетки и энергии смешения с использованием модельного потенциала.

1.2.2.1. Метод молекулярной динамики.

1.2.2.2. Метод поля валентных сил.

1.2.3. Моделирование из первых принципов.

1.2.3.1. Вычисление энергии смешения.

1.2.4. Результаты моделирования нитридов Ш-ей группы 43 1.3. Выводы и постановка задачи.

2. Методика моделирования свойств многокомпонентных соединений Л1ПВУ методом поля валентных сил

2.1. Моделирование многокомпонентных соединений.

2.1.1. Формирование модельных кристаллов.

2.1.2. Распределение атомов в подрешетке со смешением компонент.

2.1.3. Граничные условия.

2.1.4. Релаксация кристалла.

2.1.5. Статистическая независимость распределения атомов в подрешетке со смешением компонент

2.1.6. Сходимость энергии смешения.

2.1.7. Силовая константа

2.1.8. Микроструктура многокомпонентных соединений

2.2. Выводы по главе.

3. Результаты моделирования 70 3.1. Микроструктура многокомпонентных твердых растворов

3.1.1. Первая координационная сфера

3.1.2. Вторая координационная сфера (катионная иодрешетка).

3.1.3. Вторая координационная сфера (анионная подрешетка).

3.2. Энергия смешения и параметр взаимодействия тройных соединений АП1ВУ

3.3. Энергия смешения четверных соединений А1ПВУ.

3.4. Концентрационная зависимость параметра взаимодействия

3.4.1. Тройные соединения.

3.4.2. Четверные соединения типа А^11 В1у11С[11хуОу

3.4.3. "Инженерная" модель для параметра взаимодействия тройных соединений.

3.5. Выводы по главе.

4. Термодинамическая модель и зоны несмешиваемости многокомпонентных соединений А111 Ву

4.1. Термодинамическая модель многокомпонентного твердого раствора.

4.1.1. Энергия смешения и свободная энергия.

4.1.2. Термодинамические функции.

4.2. Зоны несмешиваемости многокомпонентных соединений АШВУ

4.2.1. Методика расчета фазовых диаграмм тройных соединений.

4.2.2. Фазовые диаграммы тройных соединений А1ПВУ

4.3. Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование термодинамических свойств многокомпонентных соединений AIIIBV методом поля валентных сил»

Актуальность темы диссертации. Многокомпонентные соединения AmBv в особенности нитриды III группы, являются базовыми материалами для микро- и оптоэлектроники (светоизлучающие приборы ИК, видимого и УФ спектральных диапазонов, оптоэлектроника среднего ИК диапазона, транзисторы, СВЧ-электроника и др.). Постоянное развитие технологии получения этих материалов и гетероструктур на их основе, а также расширение областей их применения требуют все более детального понимания и количественного предсказания микроструктуры и термодинамических свойств многокомпонентных соединений А1ПВУ. При этом, если методики структурных измерений все более и более совершенствуются, то экспериментальные исследования термодинамических свойств соединений на основе AinBv базируются, как правило, на косвенных измерениях и, как следствие, точность их определения часто оказывается не отвечающей современным требованиям. В случае же нитридов большинство разработанных экспериментальных методик просто не могут быть реализованы на практике.

Основанные на первых принципах теоретические расчеты энергии смешения многокомпонентных соединений также не обеспечивают необходимой точности предсказаний. Во-первых, такие расчеты требуют анализа систем, состоящих из большого числа атомов, что выходит за пределы возможностей современных компьютеров. Во-вторых, уже сами приближения, лежащие в основе расчетов из первых принципов, вносят погрешность, нередко сравнимую по величине с предсказываемыми результатами. Тем самым, налицо нехватка надежных методик, экспериментальных и теоретических, которые можно было бы использовать для получения информации о микроструктуре и термодинамических свойствах многокомпонентных соединений АШВУ.

С другой стороны, теоретическое описание термодинамических свойств многокомпонентных соединений А1ПВУ основывается преимущественно на той или иной модификации модели регулярных растворов. Такая модель хорошо описывает свойства материалов с относительно малым и умеренным рассогласованием постоянных кристаллических решеток их бинарных составляющих (например, таких как InGaAs и InGaP), но применимость этой модели к растворам с большим рассогласованием решеток (например, GaPSb, AlInN, BGaN, AlInGaN и др.) все более вызывает сомнение у исследователей. Более точные модели могли бы быть разработаны, если бы не отсутствие надежной информации о зависимости энергии смешения многокомпонентных соединений от состава.

Данная диссертационная работа, нацелена на решение сформулированных выше проблем, что и определяет актуальность ее темы.

Целями данного диссертационного исследования являются:

• разработка методики теоретического анализа и предсказания термодинамических свойств многокомпонентных соединений aiiibv в том числе нитридов III группы;

• получение новой информации о микроструктуре и термодинамических свойствах многокомпонентных соединений

AmBv в том числе нитридов III группы;

• разработка адекватных моделей для описания термодинамических свойств многокомпонентных соединений А111 Ву, применимых к соединениям как с малым, так и с большим рассогласованием постоянных кристаллических решеток бинарных составляющих.

Научная новизна результатов диссертационного исследования состоит в:

• разработке методики моделирования микроструктуры многокомпонентных соединений А1ПВУ, основанной на методе поля валентных сил, включающей в себя проведение множественных численных экспериментов с последующей статистической обработкой их результатов;

• получении информации о микроструктуре многокомпонентных соединений А1ПВУ, предсказывающей многомодовое поведение средних расстояний между атомами кристаллической подрешетки, в которой отсутствует смешение;

• разработке модели термодинамических свойств многокомпонентных соединений А1ПВУ, учитывающей конфигурационную дисперсию их энергии смешения;

• предсказании температурной зависимости энтальпии и энтропии смешения многокомпонентных соединений АП1ВУ, связанной с конфигурационной дисперсией их энергии смешения и оказывающей заметное влияние на снинодальный распад этих соединений.

Практическая ценность данной диссертационной работы состоит в том, что в ней: и получены в рамках единой методики теоретические значения параметров взаимодействия для широкого ряда многокомпонентных соединений

AmBv включая кубические нитриды III группы; рассчитаны диаграммы состояния широкого ряда многокомпонентных соединений А1ПВУ (включая кубические нитриды III группы), предсказывающие их распад на фазы; предложена "инженерная" модель для предсказания параметров взаимодействия многокомпонентных соединений, работающая как для соединений с малым, так и с большим рассогласованием кристаллических решеток бинарных составляющих соединения.

Основные положения, выносимые на защиту: оптимизированная методика моделирования многокомпонентных соединений А1ПВУ методом поля валентных сил позволяет предсказывать упругую энергию дисторсии кристаллической решетки с точностью 1 4- 2% и разрешать тонкую структуру распределений межатомных расстояний в этих материалах при достаточно небольшом ( 3000 -f- 6000) числе атомов в модельном кристалле; конфигурационная дисперсия энергии смешения многокомпонентных соединений А1ПВУ, ассоциируемая с энергией дисторсии их кристаллической решетки, является основным механизмом, определяющим температурную зависимость энтальпии и энтропии смешения этих материалов; аппроксимация зависимости энергии смешения четверных соединений А^11 В^11 С[и Dv от состава требует привлечения не только параметров взаимодействия составляющих их тройных соединений, но также дополнительного параметра, который может быть найден моделированием методом поля валентных сил.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы были доложены и обсуждались на семинарах в Учреждении Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, ООО "Софт-Импакт", Санкт-Петербургском Филиале Учреждения Российской академии наук Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН (СПбФ МСЦ) и Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (ГОУ "СПбГПУ"), на российских и международных конференциях "Научно-практическая конференция союза материаловедческих обществ России. Создание материалов с заданными свойствами: методология и моделирование" (Звенигород, 2004) [1], Bulk Crystals Conference in Zakopane (Poland, 2004) [2], на IX и XI всероссийских молодежных конференциях по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2007 и 2009) [3,4], на конференции по физике и астрономии "ФизикА.СПб" (Санкт-Петербург, 2010) [5].

Публикации. По результатам исследований, приведенных в диссертации, опубликовано восемь печатных работ, в том числе три статьи в реферируемых журналах [6-8].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 205 страниц текста, включая 56 рисунков и 11 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 198 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Подольская, Наталья Игоревна

4.3. Выводы по главе

Предложена новая модель для описания термодинамических свойств многокомпонентных твердых растворов АП1ВУ, учитывающая дисперсию энергии смешения, связанную с различными конфигурациями расположения атомов в кристалле. Модель применима как к соединениям с малым рассогласованием постоянных кристаллических решеток бинарных составляющих, так и к соединениям с большим рассогласованием постоянных решеток.

В рамках предложенной в работе термодинамической модели показано, что энергия смешения и энтальпия смешения различаются наличием температурно-зависимого члена, означающего, что вклады низко- и высокоэнергетических конфигураций в термодинамический потенциал соединения неэквивалентны. Это позволяет объяснить температурную зависимость параметра взаимодействия, наблюдаемую в некоторых экспериментах (см. табл. 8).

На основе предложенной термодинамической модели рассчитаны фазовые диаграммы тройных соединений А1хСа\-хЛГ, 1пхСа\-хМ, А1х1п1-хМ, ВхСа1-х№, 1пхСа\-хАзл 1пхОа1-хР, СаАзхР\-Х1 СаАзх8Ь\-х и СаРх8Ь\-.х. Сравнение результатов экспериментов с предсказываемыми в рамках новой термодинамической модели зонами несмешиваемости показало хорошее согласие между ними.