Энергетический спектр электронов поверхности оксидов переходных элементов с диэлектрическим покрытием тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Петров, Максим Владимирович

• Петров, Максим Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петров, Максим Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

1 Модельные подходы и схемы расчета энергетического спектра электронов твердофазныхктур.

1.1 Методы расчета, учитывающие трансляционную симметрию.

1.1.1 Зонные подходы к расчету энергетического спектра электронов в твердых телах.

1.1.2Модели с циклическими граничными условиями.

1.2 Квазимолекулярные (кластерные) модели.

1.2.1 Простой молекулярный кластер.

1.2.2Способы подавления граничного эффекта.

1.3 Схемы расчета электронно-энергетических характеристик твердых тел, моделируемых кластерами.

1.3.1 Метод Хартри-Фока-Рутана.

1,3.2Базисные атомные орбитали.

1.4 Учет эффектов электронной корреляции.

1.4.1 Общие замечания.

1.4.2Схемы расчета, базирующиеся на теории функционала плотности.

1.4.30бменно-корреляционный функционал.

2 Электронно-энергетические характеристики и спектр одноэлектронных состояний поверхности оксидов ЗЭ-элементов.

2.1 Введение.

2.2 Особенности структуры макромолекул фторполимеров.

2.3 Модели поверхностных центров оксидов Зё-элементов и активных центров макромолекул фторполимеров.

2.4 Детали расчетной процедуры.

2.5 Результаты расчета, их обсуждение и выводы.

3 Энергетический спектр электронов поверхности оксидов 4с1-элементов.

3.1 Введение.

3.2 Модель поверхностного центра оксида молибдена.

3.3 Детали расчетной схемы.

3.4 Результаты расчета, их обсуждение и выводы.

4 Электронно-энергетические состояния поверхности твердых растворов фаз внедрения) оксидов 4с1-элементов.

4.1 Модели примесных (N1)-, Тс-) центров поверхности оксида молибдена. Детали расчетной схемы.

4.2 Результаты расчетов, обсуждение и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Энергетический спектр электронов поверхности оксидов переходных элементов с диэлектрическим покрытием»

Актуальность исследования. Новейшая микро и наноэлектроника требует поиска новых материалов с необходимыми электрофизическими характеристиками. Современные физико-химические методы изучения твердофазных соединений позволяют получить достаточно четкие представления об их структуре и физических свойствах. Однако многие особенности электронных процессов в твердых телах (как в объеме, так и на поверхности) невозможно детализировать, исходя только из результатов их экспериментального исследования. Более того, результативность экспериментальных методов, таких как спектроскопия энергетических потерь, дифракция медленных электронов, ИК-спектроскопия, УФ-спектроскопия и ЯМР спектроскопия, в огромной степени определяется адекватной (однозначной) интерпретацией соответствующих экспериментальных результатов. Это приводит к необходимости дополнительного привлечения модельных представлений и вычислительных схем, разработанных на основе квантовомеханического рассмотрения соответствующих структур и электронных процессов.

Важное значение для микро- и наноэлектроники имеют электронные процессы на поверхности кристаллических твердых тел, причем не только на "атомарно чистой", но и покрытой какими-либо функциональными группами, химически связанными с поверхностью, либо в контакте с другими материалами, например, диэлектрическими полимерами (в частности с фторполимерами). От природы поверхностного покрова или фторполимерного контакта зависит энергетический спектр соответствующих электронов, и в конечном счете зависят электрофизические характеристики соответствующих объектов.

Оксиды непереходных элементов (например кремния, алюминия, германия) изучены достаточно полно. Что же касается оксидов элементов с недозаполненной 3(1- или 4с1- оболочкой, то они изучены в меньшей степени.

Поэтому данный класс оксидов (на примере оксидов никеля, молибдена и твердых растворов (фаз внедрения) оксида молибдена с оксидами технеция и ниобия ( в атомах этих элементов число 4с1-электронов отличается от числа 46-электронов атома молибдена на единицу (в большую или меньшую сторону соответственно)) представляется интересным для детального изучения их электронно-энергетического спектра.

Электронно-энергетические характеристики многоатомных систем представляется возможным рассчитать исходя из квантовомеханических представлений, т.е. на основе решения соответствующего уравнения Шредингера, приводящего к получению многоэлектронной волновой функции, описывающей состояние изучаемой системы, и возможных значений её полной энергии. Точное решение многоэлектронного уравнения Шредингера получить невозможно, поэтому для его решения прибегают к введению различных упрощающих предположений (приближений), наиболее важные из которых -адиабатическое приближение и одноэлектронное приближение. Их введение приводит к нелинейной системе уравнений Хартри-Фока-Рутана, самосогласованное решение которого получить хотя и непросто, но вполне возможно. Подход Хартри-Фока-Рутана был применен в данной работе к объектам-моделям поверхностных центров оксидов Зё- и 4с1-элементов в рамках неэмпирической процедуры. Модельные подходы и самосогласованная процедура Хартри-Фока-Рутана обеспечивают более полную информацию об электронно-энергетических характеристиках поверхности оксидов переходных элементов, чем существующие экспериментальные методы, и способны предсказать новые физические эффекты.

Целью исследований является выявление особенностей энергетического спектра электронов поверхности оксидов Зё- и 4ё-переходных элементов (включая их твердые растворы (фазы внедрения)) на основе анализа результатов неэмпирических квантовохимических расчетов соответствующих модельных (кластерных) структур.

- анализ модельных представлений и квантовохимических расчетных схем с целью выбора и обоснования наиболее подходящего подхода к изучению электронно-энергетических характеристик поверхности оксидов переходных элементов;

- получение и анализ энергетического спектра электронов поверхности оксидов: а) Зё-элементов (на примере оксидов железа и никеля), б) 4с1-элементов (на примере оксида молибдена и его твердых растворов с оксидами технеция и ниобия).

Научная новизна результатов исследования.

1. Построены кластерные модели поверхностей оксидов Зс1- и 4с1-элементов (гидроксидированной, дегидроксидированной ("атомарно чистой") и с фторполимерным контактом) с замыканием разорванных валентностей одноэлектронными псевдоатомами, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления атомов переходных элементов.

2. Для перечисленных в п.1 структур впервые на основе неэмпирического квантовохимического расчета проведен детальный анализ: а) энергетики электронных процессов на поверхности оксидов при различных мультиплетностях атомов переходных элементов, б) энергетического спектра электронов при различных мультиплетностях атомов переходных элементов.

Практическая значимость работы. Результаты, приведенного в диссертационной работе исследования, обеспечивают возможность целенаправленного поиска новых конструкционных материалов с требуемыми электрофизическими характеристиками для создания новых микро и наноэлектронных устройств.

Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены квазмолекулярные (кластерные) модели поверхностных структур оксидов 3d- и 4с1-элементов, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления атомов переходных элементов; б) проведены расчеты электронно-энергетических характеристик исследуемых объектов; в) совместно с научным руководителем проанализированы результаты компьютерного моделирования (полученных энергетических спектров электронов поверхностных структур).

Достоверность результатов исследования обусловлена применением ранее успешно апробированных вычислительных схем теории функционала плотности и хорошим совпадением некоторых из полученных результатов с известными экспериментальными данными.

Соответствие паспорту специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04-"физическая электроника", а именно пункту 4 - "физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях" и пункту 6- "изучение физических основ плазменных и лучевых (пучковых) технологий, в том числе модификации свойств поверхности, нанесение тонких пленок и пленочных структур".

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы и её отдельные результаты опубликованы в периодической научной печати (журналы "Известия ВолгГТУ", "Поверхность: рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования", "Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques.", "Вестник ВолГУ"), обсуждались на научных конференциях: XII, XIII, XIV региональные конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2007, 2008, 2009 г.г.); Физико-математическое моделирование систем. V, VI международный семинар (Воронеж, 2008; 2009 г.г.); Одиннадцатая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 2009 г.); Рентгеновские и электронные спектры и химическая связь. РЭСХС-2010; XX всероссийская научная конференция (Новосибирск, 2010 г.).

Реализация результатов исследования. Результаты работы использованы в госбюджетной научно-исследовательской работе (тема НИР №29.330: «Электронное строение и спектр одноэлектронных состояний бинарных полупроводников»), выполняемой на кафедре физики Волгоградского государственного технического университета по плану фундаментальных и поисковых работ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые построенные модели поверхностных центров оксидов 3(1-и 4<1-элементов, удовлетворяющие условию электронейтральности и требуемой степени окисления поверхностного центра.

2. Результаты сравнительного анализа энергетических спектров электронов поверхности оксидов 3(1- и 4ё-элементов а) дегидроксидированной, б)гидроксидированной, в) с фторполимерным покрытием (с участием различных типов атомов углерода полимерной цепи, по которым осуществляется взаимодействие с поверхностью) при различных мультиплетностях изучаемых объектов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, перечня основных результатов и списка литературы. Она содержит 106 страниц основного текста, содержит 5 таблиц и 46 рисунков. Список используемых литературных источников содержит 66 наименований.