XXI век является переходным от микроэлектроники к наноэлектронике. Основой наноэлектроники является наноразмерные кремниевые материалы. На электрофизические и люминесцентные свойства нанокремния заметное влияние оказывают внутренние его дефекты. К таким дефектам относятся дефекты вакансии и частные межузловые атомы. С изменением концентрации этих дефектов будет возможным управлять различные их свойства. Атомами водорода при этом пользуются для частичной нейтрализации и для пассивации их воздействия. Однако до настоящего времени недостаточно изучены электронные строения пассивируемых водородом дефекты нанокремния, а также динамика изменения локальных подуровней запрещенных зон и точная конфигурация структур дефекта.
Рис. 1.
Нами изучено процесс пассивации водородом вакансии и частные межузловые дефекты атома кремния на 29 образцах атома кремния нетрадиционным методом сильной связи. (рис.1) [1]
В данном разделе мы провели исследование эффекта пассивации болтающихся орбиталей атомов кремния, возникших на месте центрального атома в результате образования вакансии. При этом, рассмотрение проблемы мы разделили на три задачи: вычисление термохимических параметров комплексов водород-вакансия, исследование зависимости структуры и симметрии вакансионного центра от количества водорода, исследование природы локальных уровней, связанных с комплексом VHm.
В качестве модели наночастицы нами выбран наноразмерный кластер Si29 с димеризованной поверхностью и однократным насыщением поверхностных атомов кремния атомами водорода в количестве 24 атома. Эти кластеры являются атомно-центрированными и симметрия центрального атома является тетраэдрической. При рассмотрении вакансии, центральный атом был удален из кластера и в дальнейшем геометрия кластера была подвержена оптимизации. В результате релаксации атомов кластера, атомы кремния — первые соседи вакансии отдаляются друг от друга неравномерно и симметрия центра переходит от тетраэдрической к C3v. Вторые соседи вакансии также отодвигаются и расстояния между первыми и вторыми соседями вакансии становятся равным 2,28 А, причем поверхностные 6 атомов кремния, расположенные за образованным основанием пирамиды центра, образуют между собой шестиугольник (рис.2 отмечены красным цветом), все вершины-атомы которого лежат на одной плоскости. Расстояния между атомами — первыми соседями вакансии становятся равным 4,2
Рис. 2.
А между вершиной пирамиды и атомами основания, 3,1 А между атомами основания пирамиды. Причем вершинный атом становится посередине треугольника, образованного вторыми соседями (рис.2 отмечены красным цветом). Вследствие этого ближайший атом водорода, соединенный с поверхностным атомом, сдвигается в связицентрированное положение в сторону появившегося атома кремния в центре треугольника (рис.2, атом водорода отмечен желтым цветом, связицентрированная связь водорода показана пунктирной линией). При этом длина связи Si-H-Si равна 2.436 А — 2.067 А. Вместе с тем, длина этой Si-Si связи укорачивается и становится равным 2,23 А (другие 2,27 А).
Мы рассматривали влияние количества внедренного водорода в вакансию на устойчивость кластера, симметрию расположения атомов, ее конфигурацию. Знание конфигурационного строения комплексов вакансии с водородом позволит выявлять особенности связывания между ними из соображений симметрии и межатомных расстояний. Сначала мы рассматривали вакансию, куда был помещен один атом водорода, который был соединен с одним из атомов кремния — соседа вакансии. При оптимизации геометрии кластера, атом водорода сместился в центр вакансии с несимметричным расположением между парами атомов. Атомы водорода, прикрепленные к поверхностным атомам, ближайшим к основанию треугольника удалились на 0,08 А.
Рис. 3.
При помещении второго атома водорода в центр вакансии, один из центральных атомов водорода образует химическую Si-H связь с одним из атомов кремния основания пирамиды с длиной связи 1.57 А. Второй атом водорода размещается в центре треугольника образованного остальными тремя атомами кремния — первыми соседями вакансии с расстоянием до каждого из них 2.15А, 2.48А и 2.48А. Два атома водорода на поверхности отсоединяются от кластера с образованием молекулы водорода.
Рис. 4.
Внедрение третьего атома водорода в полость вакансии приводит к образованию полноценных трех Si-H связей в центре. причем один из атомов водорода связывается с наиболее удаленным атомом кремния.
Рис. 5.
Присоединение четвертого атома водорода к вакансии приводит к идеальной тетраэдрической форме центра с полным насыщением всех атомов кремния и образованием Si-H связей. При этом, однако, шестиугольная форма основания кластера сохраняется.
Большой интерес представляют люминесцентные свойства наноразмерного кремния в диапазоне синего цвета видимой части электромагнитных волн, который открывает широкие возможности использования в качестве дисплеев и биозондов Подобными свойствами обладают кремниевые квантовые точки с размерами 1–3 нм. Однако, катастрофическое влияние на электрофизические и оптоэлектронные свойства кремниевых наноматериалов оказывают примесные дефекты, содержащие в узлах и междоузлиях нанокремния. Теоретическое изучение поведения типичных дефектов, как углерод и водород в нанокремнии позволяют прогнозировать изменение свойств материалов, разработать методы повышения устойчивости электронных приборов на их основе в критических условиях внешней радиации, повышенного давления и других.
В данной работе нами исследовано влияние полной водородной пассивации вакансии на пространственную и электронную структуру нанокластера кремния, распределение зарядов между атомами, характер и динамику локальных уровней в запрещенной зоне комбинированным методом молекулярной динамики и нетрадиционного метода сильной связи.
Литература:
1. Khakimov, Z.M., P. L. Tereshchuk, N. T. Sulaymonov, F. T. Umarova, M. T. Swihart. Non-conventional tight-binding method for calculation of total energy and spectroscopic energies of atomic clusters. Transferable parameters for silicon.//Phys. Rev. B. — 2005. — V.72. –P.115335(1–11).
