Особенности диффузионных процессов и формирования собственных дефектов в наноструктурных материалах: квантово-химическое моделирование

Abstract

Развитие микроскопических (квантовых) методов расчета коэффициента диффу­зии атомов и процессов дефектообразования в наноструктурных полупроводниковых материалах, нанокристаллах, наноструктурах представляет не только фундаменталь­ный интерес, но имеет и большое практическое значение. Это обусловлено тем, что практически все методы управления свойствами кристаллов полупроводников, про­цессы дефектообразования в условиях термических и/или радиационных воздейст­вий, а также большинство технологических процессов связано с контролируемыми или не контролируемыми диффузионными процессами. Диффузия атомов в кристал­лах очень часто происходит в экстремальных условиях: высокие температуры, дав­ление, градиенты напряжений, высокие напряженности встроенных электрических полей. Это существенно затрудняет, делает чрезвычайно дорогостоящим или прак­тически невозможным проведение экспериментальных исследований, и в данном случае коэффициент диффузии не только не известен, но даже порой трудно пред­сказать его качественное поведение. В случае нанокристаллов ситуация оказывается еще более сложной. Действительно, в недавно выполненных экспериментальных ра­ботах по легированию нанокристаллов отмечается, что в ряде случаев легирова­ние наноструктурного материала оказалось практически невозможным. Например, Mn не может быть введен в наноструктурированный CdSe, в то время как объемная растворимость Мn в обычных кристаллах достигает 50 %. Для наноструктурного ма­териала было введено представление о самоочищении нанокристаллов, хотя физиче­ские причины, приводящие к такому самоочищению, неясны. Экспериментальные исследования процесса диффузии и дефектообразования в нанокристаллах и наност­руктурных материалах практически отсутствуют вообще, поэтому существенно воз­растает роль теоретических методов анализа. В данной работе представлены результаты последовательного микроскопическо­го (квантово-химического) расчета, коэффициента диффузии и энергии образования собственных точечных дефектов в нанокристаллах ковалентных полупроводников (Si, Ge).