Электронное энергетическое строение гетероструктур кремний-титан-кремний (100)
Виноградов Василий Владимирович
Таганрогский государственный радиотехнический университет

Научный руководитель: Колпачев Алексей Борисович, кандидат физико-математических наук
Соавторы: Колпачев Алексей Борисович, Арзуманян Грайр Вагаршакович

В рамках кластерной модели в теории многократного рассеяния было рассчитано электронное энергетическое строение (ЭЭС) гетероструктуры кремний - моноатомный слой титана - кремний. Рассчитаны локальные парциальные плотности электронных состояний (ПЭС) атомов кремния и титана в следующей модели гетероструктуры. Предполагалось, что в монокристалле чистого кремния атомы одной из атомных плоскостей заменены атомами титана. Затем рассматривались достаточно представительные (87 атомов) кластеры с центрами на:

    1. атомах титана;

    2. атомах кремния, ближайших к плоскости атомов титана (Si1);

    3. атомах кремния - вторых соседях по отношению к "титановой" плоскости (Si2);

    4. атомах кремния - третьих соседях по отношению к "титановой" плоскости (Si3) и т.д.

Для атомов каждого из типов строился "кристаллический" потенциал с учетом реального распределения атомов в гетероструктуре по методике, близкой к изложенной в [1]. Обменно-корреляционный потенциал вычислялся в приближении локального функционала электронной плотности [2]. Параметры расчета выбирались таким образом, чтобы правильно воспроизводилась форма кривых ПЭС для чистого кремния. Затем вычислялись фазы рассеяния и t-матрицы рассеяния электронов на потенциалах атомов, входящих в состав кластера. Локальные ПЭС валентной полосы атома в центре кластера определялись по формуле [3]:

,

где l - орбитальное квантовое число;

E - энергия;

- радиальная часть решения уравнения Шредингера в потенциале атома типа А в кристалле;

- t-матрица рассеяния электрона на кластере.

В результате расчетов было установлено, что у атомов кремния, ближайших к "титановой" плоскости, происходит существенная перестройка ЭЭС валентной полосы по сравнению с чистым Si. У атомов Si1, Si2 и, отчасти, Si3 наблюдается полное исчезновение запрещенной полосы в электронном энергетическом спектре. Таким образом, можно считать, что "металлическими" свойствами в гетероструктуре будет обладать слой толщиной в 5 атомных слоев (около 30 нм) даже при наличии только одной плоскости атомов титана.

На основе анализа энергетического положения характерных особенностей ЭЭС атомов по отношению к чистому кремнию, а также анализа получающегося кристаллического потенциала показано, что по обе стороны от "встроенной" в кристалл кремния плоскости атомов титана возникают потенциальные барьеры шириной 2 - 3 атомных слоя и высотой около 0.7 эВ, а на самой плоскости атомов титана - потенциальная яма глубиной около 1 эВ.

В полученной таким образом модели потенциала можно в дальнейшем решить задачу о движении электронов и исследовать электрофизические свойства рассмотренной гетероструктуры.

Список публикаций:

[1] Вольф Г.В., Дякин В.В., Широковский В.П. Кристаллический потенциал для кристаллов с базисом// Физика металлов и металловедения, 1974, 38, №5, С.949-956.

[2] Hedin L., Lundquist B.I. Explicit local exchange correlation potentials, J.Phys.C.,1971, 4, №14, p.2064-2084.

[3] Gyorffy B.L., Stott M.J. A one-electron theory of soft X-ray emission from random alloys// Band structure spectroscopy of metals and alloys/ El. By Fabian D. Academic Press. Ld., N.Y. 1973, p.385-403.

(c) АСФ России, 2001