Теоретическое моделирование радиационного отклика сверхрешетки Si, Ge и Si / Ge на низкоэнергетическое облучение

Фон

В течение последних десятилетий сверхрешетка (СР) Si / Ge привлекала большое внимание в исследованиях полупроводников из-за ее потенциального вклада в разработку новых электронных и оптоэлектронных устройств [1,2,3,4,5,6]. Например, исследование фотопроводимости Si / Ge SL имеет большое значение для фотодиодов как излучателя и приемника для быстрой оптической связи [5]. В таких приложениях, как космический электронный компонент, микроэлектронный компонент, солнечная батарея и космическая электроника [1, 4, 6], оптические и электронные свойства Si / Ge SL могут быть изменены из-за бомбардировки высокой энергия ионов из космической среды, что приводит к снижению производительности электронных устройств. Следовательно, необходимо исследовать радиационные характеристики этого полупроводникового материала в экстремальных рабочих условиях.

В последнее время многие исследователи изучали эффекты радиационного повреждения сверхрешетки Si / Ge [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Соболев и др. исследовали влияние электронного облучения на фотолюминесценцию (ФЛ) Si / Ge SL, содержащего монослой чистого Ge, и обнаружили повышенную радиационную стойкость структуры SL по сравнению с объемным кремнием [12]. Fonseca et al. облучил Si / Ge SL с внедренными квантовыми точками (КТ) Ge, используя облучение протонами 2,0 МэВ, и обнаружил необычайно высокую радиационную стойкость структуры QD-in-SL [13]. Аналогичные результаты были получены Leitão et al., Которые сообщили, что квантовые ямы (КЯ) Ge, нанесенные на диодную структуру, содержащую многослойную структуру Si / Ge, были более устойчивы к протонному облучению по сравнению с одиночными квантовыми ямами Ge [14]. Как перспективные термоэлектрические материалы, термоэлектрические характеристики системы Si / Ge могут также изменяться в радиационной среде [11,15]. Zheng et al. облучил несколько периодических слоев Si _{1 - x} Ge _x / Si с использованием ионов Si с энергией 5 МэВ, и они обнаружили, что термоэлектрическая добротность увеличивается с увеличением плотности потока ионов Si [11]. Дефекты и структурный беспорядок уменьшают теплопроводность поперечной плоскости за счет поглощения и рассеивания фононов вдоль решетки, а плотность электронных состояний в мини-зоне структуры КТ увеличивает электропроводность и коэффициент Зеебека, которые все способствуют увеличению рисунка заслуг [11].

Теоретически Сайед и Виндл исследовали атомные смещения объемного Si, используя метод классической молекулярной динамики (МД) [17, 18]. Они обнаружили, что пороговые энергии смещения (E _d s) зависят от направления выбивания, а поврежденные состояния - это в основном дефекты пар Френкеля (ФП) [17, 18]. Caturla et al. исследовали влияние массы и энергии ионов на радиационное повреждение объемного Si с помощью метода МД [19]. Они сообщили, что образование аморфизации, а также отдельных точечных дефектов и небольших кластеров сильно зависит от массы иона и слабо - от энергии ионов [19]. Holmström et al. вычислил E _d s для германия методом МД и обнаружил, что стабильные дефекты являются дефектами ФП [20]. Shaw et al. применил ab initio метод для изучения влияния дефектов сурьмы и германия на электронную структуру гетероструктур Si / Ge и обнаружил, что эти дефекты взаимодействуют с интерфейсами Si / Ge, что приводит к локализованным резонансам на границе раздела и большим локальным возмущениям в электронной структуре. структура [21]. Несмотря на указанные исследования, теоретического моделирования динамического процесса радиационного повреждения Si / Ge SL в литературе до сих пор не сообщалось. По-прежнему отсутствует понимание на атомном уровне эволюции микроструктуры и лежащего в основе механизма образования дефектов в полупроводниковых сверхрешетках.

Метод неэмпирической молекулярной динамики (AIMD) оказался важным инструментом для выяснения процессов радиационного повреждения и действительно оказался успешным при моделировании событий отдачи в ряде полупроводниковых и керамических материалов [22,23,24, 25,26,27]. По сравнению с классическим методом МД, межатомные потенциалы получают из расчетов электронной структуры, а не эмпирической подгонки экспериментальных результатов. Следовательно, множество физических параметров, таких как E _d s может быть определено с точностью ab initio. В данном исследовании метод AIMD используется для сравнения поведения отклика объемных Si, Ge и Si / Ge SL при низкоэнергетическом облучении. Определены пороговые энергии смещения, а также указано распределение дефектов и пути их образования. Возможная причина расхождения в радиационной стойкости между объемным Si (Ge) и Si / Ge SL также исследуется. Представленные результаты дают фундаментальное представление о микроскопическом механизме событий смещения в объемных Si, Ge и Si / Ge SL и способствуют пониманию радиационных откликов этих материалов в радиационной среде.

Методы

События низкоэнергетического смещения объемных Si, Ge и Si / Ge SL моделируются программой Испанской инициативы по электронному моделированию с тысячами атомов (SIESTA). Сохраняющие норму псевдопотенциалы Труллье-Матрина [28] используются для определения взаимодействия между ионами и электронами, а обменно-корреляционный потенциал описывается приближением локальной плотности (LDA) в параметризации Чеперли-Альдера [29]. Волновые функции валентности расширяются базисным набором локализованных атомных орбиталей, и используются базисные наборы с одним ζ плюс поляризационная орбиталь (SZP) с дискретизацией по K-точкам 1 × 1 × 1 в зоне Бриллюэна и разрезом от энергии 60 Ry. В настоящем исследовании Si ₂ / Ge ₂ Рассмотрена СЛ, состоящая из двух слоев Si, чередующихся с двумя слоями Ge, содержащими всего 288 атомов. На рис. 1 показана геометрическая конфигурация объемного Si и Si / Ge SL. Конкретный атом выбирается как первичный ударный атом (PKA), и ему дается кинетическая энергия, чтобы инициировать событие отдачи. Если PKA возвращается в исходное положение в конце события смещения, моделирование перезапускается с более высокой энергией отдачи с приращением энергии 5 эВ. После того, как PKA окончательно смещается из своего узла решетки, выполняются дополнительные прогоны для повышения точности до 0,5 эВ. Для каждого типа атомов учитываются четыре и пять главных направлений падения для объемного Si (Ge) и Si / Ge SL соответственно. Моделирование проводится с помощью ансамбля NVE, и максимальная продолжительность каждого запуска составляет 1,2 пс, чтобы избежать нестабильности системы.

Схематическое изображение геометрических структур а объемный Si и b Сверхрешетка Si / Ge. Синие и зеленые сферы представляют собой атомы Si и Ge соответственно

Результаты и обсуждение

События смещения в массовом кремнии и германии

Постоянная решетки объемного Si определена равной 5,50 Å, что хорошо согласуется с теоретическим результатом 5,48 Å [30] и экспериментальным результатом 5,43 Å [31]. По сравнению с объемным Si постоянная решетки объемного Ge больше, т.е. 5,71 Å, что согласуется с расчетным результатом 5,65 Å [30] и экспериментальным значением 5,77 Å [31]. Рассчитанные нами пороговые энергии смещения для объемных Si и Ge приведены в Таблице 1 вместе с соответствующими дефектами после событий смещения. Конфигурации для конечных состояний повреждения Si- и Ge-отдачи показаны на рис. 2 и 3 соответственно.

а - г Схематическое изображение геометрических структур повреждений Si после событий отдачи. Зеленая и красная сферы представляют собой вакансию и межузельный дефект соответственно. V _Si :вакансия кремния; Si _int :кремний межстраничный

а - г Схематическое изображение геометрических структур повреждений Ge после событий отдачи. Красные и синие сферы представляют собой вакансию и межузельный дефект соответственно. V _Ge :вакансия германия; Ge _int :межузельный германий

Для объемного Si, E _d значения немного меньше экспериментальных результатов 21 эВ для [001] [32], ~ 47,6 эВ для [110] [33] и ~ 12,9 эВ для направлений [111] [34], и как эксперимент, так и наши расчеты показывают, что поврежденные конечные состояния являются дефектом пары Френкеля (FP). Также отмечается, что E _d значения в настоящем исследовании в целом сопоставимы с результатами MD, сообщенными Windl et al. [18], за исключением случая [110], для которого наше вычисленное значение 47 эВ намного больше, чем результат МД 24 эВ. Предыдущее моделирование взаимодействий ион-твердое тело в SiC с помощью AIMD показало, что событие смещения на самом деле является процессом переноса заряда, а перенос заряда к атомам отдачи и от них может изменить энергетические барьеры и динамику для стабильного образования дефектов [35]. Меньшие значения E _d найденное AIMD по сравнению с определенным классическим MD может быть связано с тем, что перенос заряда, который происходит во время событий отдачи, учитывается методом AIMD, тогда как в классическом MD-моделировании заряд атомов является фиксированным. В исследовании Виндла и др. Кинетическая энергия передается в PKA для создания одной кремниевой вакансии (V _Si ) и одно кремниевое межузельное пространство (Si _int ) дефекты [18]. Напротив, в нашем исследовании связанные дефекты для события смещения Si [110] содержат два V _Si и два Si _int дефекты, приводящие к более высоким энергиям для образования поврежденных состояний. E _d значения для Si [111] и Si \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) очень близки друг к другу, т.е. 9,5 и 10 эВ соответственно. В обоих случаях созданные дефекты - это V _Si и Si _int (см. рис. 2в, г), тогда как механизмы генерации дефектов имеют другой характер. В случае Si [111] Si PKA движется в направлении \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \) из-за отталкивающих взаимодействий и сталкивается со своим соседним атомом Si. Затем Si PKA рассеивается, занимая промежуточный сайт (Si _int ), а замещенный Si возвращается обратно в узел решетки PKA. Связанные дефекты - это один V _Si и один Si _int дефекты. Что касается Si \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), событие смещения относительно проще, то есть Si PKA перемещается на 4,69 Å от узла своей решетки к сформировать Si _int дефект. В случаях Si [001] и Si [110] E _d s определены равными 20 и 47 эВ, соответственно, что указывает на то, что атомам Si труднее смещаться в направлении [110]. Концевые состояния повреждения для Si [001] и Si [110] несколько различаются. В случае Si [001] PKA получает кинетическую энергию и движется в направлении [001], сталкиваясь с соседними атомами. Замещенный атом Si продолжает движение и занимает позицию внедрения, как показано на рис. 2а. Что касается Si [110], PKA рассеивается в направлении \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \) из-за отталкивающих взаимодействий между PKA и соседними атомами и попадает в один соседний атом Si (Si1). . Затем Si PKA отскакивает в направлении [111], чтобы заменить другой атом Si (Si2), и атом Si2 в конце концов занимает позицию внедрения. Атом Si1 получает энергию, достаточную для движения в направлении [110], и замещает свой соседний атом Si (Si3), который образует межузельный дефект. В конце концов, связанные дефекты - это два V _Si и два Si _int дефекты, как показано на рис. 2b.

Для объемного Ge значения E _d хорошо согласуются с экспериментальным значением ~ 18 эВ [36] и теоретическим значением 18,5 эВ [20] для направления [001]. Следует отметить, что текущее значение 9,5 эВ сравнимо с результатом Холмстрёма 12,5 эВ [20] для направления [111], что меньше экспериментального значения ~ 15 эВ [36]. Для Ge [111] и Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) определенное E _d значения всего 9,5 эВ, что указывает на то, что атомы Ge легко перемещаются в этих двух направлениях. В обоих случаях ассоциированными дефектами являются вакансия германия и междоузлия германия (см. Рис. 3в, г). Для Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) Ge PKA не следует по прямому пути, а сильно отклоняется одним из ближайших соседей и занимает межстраничный сайт (Ge _int ). Напротив, в случае Ge [111], Ge PKA перемещается на 4,92 Å вдоль направления [111], образуя межузельный дефект (Ge _int ). По сравнению с E _d Для Ge [001] значение Ge [110] на 10 эВ больше, что указывает на то, что атом Ge сложнее смещать в направлении [110]. Хотя связанные дефекты для Ge [001] и Ge [110] похожи, механизмы генерации дефектов несколько различаются. Ge PKA получает кинетическую энергию и движется в направлении [001], сталкиваясь с соседними атомами. Замещенный атом Ge продолжает движение и занимает позицию внедрения, как показано на рис. 3а. Что касается Ge [110], то отдача Ge сталкивается с его первым соседним атомом Ge (Ge1) вдоль направления [110] и отскакивает вдоль направления [111], в результате чего образуется Ge _int . Атом Ge1 покидает узел своей решетки и замещает соседний атом Ge (Ge2). Впоследствии атом Ge2 возвращается в узел решетки Ge1, и в конечном итоге только один V _Ge и один Ge _int образуются дефекты, как показано на рис. 3б. Эти результаты показывают, что в объемных Si и Ge E _d s сильно зависят от кристаллографического направления, и атомы сложнее смещать вдоль направления [110]. Конечные состояния радиационного повреждения в объемных Si и Ge представляют собой в основном дефекты FP, то есть вакансионные и межузельные дефекты.

События смещения в сверхрешетке Si / Ge

В этом исследовании события смещения Si ₂ / Ge ₂ Рассмотрены СЛ, состоящие из двух слоев Si, чередующихся с двумя слоями Ge (см. Рис. 1б). Атомы Si и Ge, которые примыкают к границе раздела Si / Ge, выбираются в качестве PKA. E _d s для Si и Ge отдачи и связанные с ними дефекты перечислены в таблице 2. Конфигурации дефектов для Si и Ge отдачи показаны на рис. 4 и 5 соответственно. Отмечается, что в случае Si [111] дефекты не создаются даже при энергиях до 100 эВ. Из-за вычислительных ограничений мы не проводили дальнейшее моделирование событий отдачи при энергиях выше 100 эВ, а точное значение E _d значение для Si [111] не определено.

а - г Схематическое изображение геометрических структур поврежденной сверхрешетки Si / Ge после событий отдачи Si. Синие и зеленые сферы представляют атомы Si и Ge соответственно. V _X : X вакансия ( X =Si или Ge); X _int : X межстраничное ( X =Si или Ge); X _Y : X занимая Y узел решетки ( X и Y =Si или Ge). Фиолетовые и красные сферы представляют собой вакансию и межузельный дефект соответственно

а - е Схематическое изображение геометрических структур поврежденной сверхрешетки Si / Ge после событий отдачи Ge. Синие и зеленые сферы представляют атомы Si и Ge соответственно. V _X : X вакансия ( X =Si или Ge); X _int : X межстраничное ( X =Si или Ge); X _Y : X занимая Y узел решетки ( X и Y =Si или Ge). Фиолетовые и красные сферы представляют собой вакансию и межузельный дефект соответственно

В структуре Si / Ge SL Si PKA легко перемещается в направлении \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), как показано маленький E _d значение 10 эВ. Путь образования дефектов очень прост, то есть Si PKA перемещается на 4,61 Å от своего узла решетки и образует Si _int дефект. Для Si [001] и Si \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \) E _d s определены равными 46,5 и 42,5 эВ соответственно, а поврежденные дефекты отличаются, как и ожидалось. В случае Si [001], Si PKA перемещается в направлении [001], замещая свой соседний атом Ge (Si _Ge ), а замещенный атом Ge сталкивается со своим соседним атомом Si и занимает его узел решетки, образуя Ge _Si антисайтовый дефект. Замещенный атом Si получает достаточную энергию и в дальнейшем заменяет другой атом Ge (Si _Ge ), который, наконец, занимает промежуточный сайт. В конечном итоге связанные дефекты составляют один V _Si , один Ge _int , и три антисайтовых дефекта. Что касается Si \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \), два соседних атома Ge и один соседний атом Si также участвуют в событии смещения, а поврежденные состояния содержат две вакансии, два междоузлия и два антиструктурные дефекты, как показано на рис. 4b. В случае Si [110] атом Si движется, чтобы столкнуться с соседним атомом Si, и рассеивается в направлении \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \). Затем Si PKA замещает один соседний атом Ge, который в конце концов занимает междоузлие. После событий смещения связанные дефекты содержат один V _Si , один Si _Ge, и один Ge _int дефекты. По сравнению с объемным Si, атомы Si в СР Si / Ge, как правило, сложнее смещать, за исключением случая [110], и механизмы генерации дефектов более сложны, что указывает на то, что в СР объемного Si и Si / Ge разные радиационные реакции на облучение. Наши результаты согласуются с экспериментами, проведенными Fonseca et al. и Leitão et al. [13, 14], которые также обнаружили, что радиационная стойкость структуры SL была увеличена по сравнению с массивным кремнием.

При отдаче Ge в Si / Ge SL атомы Ge легко перемещаются в направлениях [111] и \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), которые аналогичны событиям отдачи Ge в массивном Ge. Хотя конечные состояния радиационного повреждения для Ge [111] и Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) очень похожи, т.е. дефекты Ge FP, механизмы дефекта генерации разные. В случае Ge [111], Ge PKA перемещается на 4,77 Å от своего узла решетки и образует Ge _int дефект. Для Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) атом Ge движется по \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) вместо соседнего атома Ge. Столкнувшийся атом Ge движется в этом направлении и в конце занимает междоузлие. Отмечается, что E _d значения 16 эВ для Ge [001] и 17,5 эВ для Ge \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \) сравнимы со значением 18 эВ для Ge [001] в объемном Ge, тогда как соответствующие дефекты проявляют разный характер. В случае Ge [001], Ge PKA получает достаточную энергию, но рассеивается в направлении [111], замещая свой соседний атом Si, образуя Ge _Si антисайтовый дефект. Затем замещенный атом Si занимает узел ПКА решетки Ge и образует антиструктурный дефект (Si _Ge ). В случае Ge \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \), Ge PKA перемещается на 5,63 Å, чтобы заменить соседний атом Si. Атом Si движется в этом направлении и образует Si _int дефект. По сравнению с Ge [110] в объемном Ge, E _d для Ge [110] в Si / Ge SL на 8,5 эВ меньше, а связанные с ними дефекты более сложные, на что указывает один V _Ge , один Ge _Si , и один Si _int дефекты. Сравнивая события отдачи Ge в объемных Ge и SL, мы обнаруживаем, что атомы Ge в Si / Ge SL более устойчивы в направлении [110]. Для других событий смещения E _d s обычно сравнимы с таковыми для объемных состояний. Однако конечные состояния радиационных повреждений в объемных СР Ge и Si / Ge различны, и в структуре СР Si / Ge создаются некоторые антиструктурные дефекты. Эти результаты позволяют предположить, что отдача Ge в структуре Si / Ge SL демонстрирует различный радиационный отклик на облучение. Сравнивая отдачу Si и Ge в структуре SL, мы обнаруживаем, что события смещения атомов Si подвержены гораздо большему влиянию, чем Ge, то есть E _d s для атомов Si в структуре SL обычно увеличиваются, что может привести к повышенной радиационной стойкости Si / Ge SL. Соболев и др. обнаружили, что SL Si / Ge демонстрируют чрезвычайно высокую радиационную стойкость по сравнению с объемным Si [12], что согласуется с нашими результатами.

Энергия образования дефектов и миграционный барьер в объемной сверхрешетке Si, Ge и Si / Ge

В объемных Si и Ge поврежденными состояниями являются в основном вакансионные и межузельные дефекты. Что касается Si / Ge SL, связанные дефекты содержат вакансионные, межузельные и антиструктурные дефекты, а механизмы генерации дефектов, как правило, более сложны. Несоответствие в сопротивлении дефектообразованию между материалами объемных компонентов и Si / Ge SL может привести к их разной радиационной стойкости. Для дальнейшего изучения происхождения различных радиационных откликов этих полупроводниковых материалов мы рассчитываем энергии образования вакансионных, межузельных и антиструктурных дефектов в объемных состояниях и SL-структурах, а также миграционный барьер наиболее подходящих дефектов, используя метод теории функционала плотности. Вычисления основаны на суперячейке, состоящей из 64 атомов, с дискретизацией 6 × 6 × 6 k-точек в реальном пространстве и энергией отсечки 500 эВ.

Энергии образования дефектов в объемных Si, Ge и Si / Ge SL приведены в таблице 3 вместе с другими результатами расчетов. В массивном Si энергии образования V _Si , Si _int , и Si FP-дефекты рассчитаны на 3,60, 3,77 и 4,62 эВ соответственно, что находится в разумном согласии с другими расчетами [37,38,39,40]. Наши результаты показывают, что V _Si дефект легче создать в массивном Si. Точно так же V _Ge объемный дефект Ge энергетически более выгоден, чем Ge _int и Ge FP-дефекты, на что указывает наименьшая энергия образования дефектов 2,23 эВ, что хорошо сравнимо с теоретическим значением 2,09 эВ [39]. Что касается СР Si / Ge, энергия образования V _Ge определяется равным 2,73 эВ, что меньше энергии образования других дефектов. Следующий благоприятный дефект - V _Si . дефект, а энергия образования определена равной 2,85 эВ. Отмечается, что значение 3,52 эВ для Ge _int меньше, чем значение 3,77 эВ для Si _int дефект. Что касается дефекта FP, энергия образования, очевидно, больше, то есть 5,19 эВ для Si FP и 5,01 эВ для Ge FP, что свидетельствует о том, что дефекты FP трудно создать. По сравнению с объемными состояниями энергии образования дефектов для структуры Si / Ge SL обычно больше, за исключением дефектов V _Si и Si _int , что указывает на то, что в структуре SL образование точечных дефектов, как правило, сложнее. Такое несоответствие в сопротивлении дефектообразованию между объемными состояниями и структурой Si / Ge SL может привести к их разной реакции на облучение.

На основе оптимизированных структур поведение миграции V _Ge и V _Si Далее исследуются дефекты, которые являются наиболее подходящими дефектами в объемных структурах и структурах Si / Ge SL. V _Ge и V _Si учитываются дефекты, которые примыкают к границе раздела Si / Ge, а миграционные барьеры сведены в Таблицу 4. Следует отметить, что миграционные барьеры вдоль направлений [100] и [110] для V _Ge дефекты меньше, чем у V _Si дефекты, а энергетический барьер для V _Ge миграция в направлении [111] немного больше, чем для V _Si миграции, что согласуется с результатами, полученными Cowern et al. [41].

Энергетические ландшафты миграции дефектов вдоль направлений [100], [110] и [111] показаны на рис. 6. На рис. 6а показаны миграционные барьеры V _Si Дефект вдоль направления [100] определен как 4,32 и 3,92 эВ в объемном Si и Si / Ge SL соответственно. Что касается направления [110], миграционный барьер 2,14 эВ для V _Si в структуре Si / Ge SL очень близко к значению 2,12 эВ в объемном Si. Сравнивая миграционный барьер вдоль каждого направления, мы обнаруживаем, что направление [111] является наиболее благоприятным направлением миграции как для вакансий Si, так и для Ge, на что указывают значительно меньшие миграционные барьеры. В частности, V _Si дефекты легче мигрируют вдоль направления [111] в объемном Si, чем Si / Ge SL, поскольку энергетический барьер 0,11 эВ в объемном состоянии намного меньше (см. рис. 6e). Что касается V _Ge Для дефектов миграционные барьеры в направлении [100] рассчитаны равными 3,67 эВ в объемном Ge и 2,87 эВ в Si / Ge SL. В случае направления [110] энергетические барьеры определены равными 1,94 и 1,39 эВ в объемной и SL-структурах соответственно. Как и в случае миграции вакансии Si, V _Ge дефекты легче перемещаются в направлении [111]. Кроме того, миграция происходит легче в объемном Ge, чем в Si / Ge SL, как показано на рис. 6f. Наши расчеты показывают, что вакансии Si и Ge более подвижны в объемных состояниях, чем структура SL, что может приводить к образованию пустот и даже к объемному распуханию. Это может способствовать разным ответам на облучение для объемных и SL структур.

Миграционный барьер кремниевой вакансии (V _Si ) и вакансии германия (V _Ge ) дефекты, полученные методом кластерной подталкиваемой резинки. а V _Si по направлению [100]; б V _Ge по направлению [100]; c V _Si по направлению [110]; г V _Ge по направлению [110]; е V _Si по направлению [111]; е V _Ge по направлению [111]

Выводы

Таким образом, события низкоэнергетического смещения в объемной сверхрешетке (СР) Si, Ge и Si / Ge были исследованы методом молекулярной динамики ab initio. Показано, что в объемных Si и Ge пороговые энергии смещения зависят от кристаллографического направления, и атомы труднее смещать вдоль направления [110]. Поврежденные состояния в объемных состояниях - это в основном вакансионные и межузельные дефекты. В структуре Si / Ge SL атомы Si более устойчивы в направлении [111], а атомы Ge сложнее смещаться в направлении [110]. Наши расчеты показывают, что энергии отдачи Ge в структуре SL в целом сопоставимы с энергиями отдачи в объемном Ge, тогда как энергии отдачи Si в структуре SL обычно намного больше, чем в объемном Si, что свидетельствует о повышенной радиационной стойкости. Si / Ge SL. Расчеты энергии образования дефектов показывают, что точечные дефекты в SL Si / Ge обычно имеют более высокие энергии образования, что указывает на то, что в структуре SL точечные дефекты, как правило, образовывать труднее. Также обнаружено, что направление [111] является наиболее благоприятным путем миграции как для вакансий Si, так и для Ge, и обе вакансии более подвижны в объемных состояниях, чем в структуре SL. Наши расчеты показывают, что повышенная радиационная стойкость Si / Ge SL выгодна для его применения в качестве электронных и оптоэлектронных устройств в экстремальных рабочих условиях, таких как радиация.

Сокращения

AIMD:

Молекулярная динамика ab initio

E _d :

Пороговая энергия смещения

FP:

Пара Френкеля

Ge:

Германий

Ge _int :

Межстраничный германий

Ge _Si :

Германий, занимающий узел кремниевой решетки

LDA:

Приближение локальной плотности

MD:

Молекулярная динамика

NVE:

Микроканонический ансамбль

PKA:

Первичный ударный атом

PL:

Фотолюминесценция

QD:

Квантовая точка

QW:

Квантовая яма

Si:

Кремний

SIESTA:

Испанская инициатива по электронному моделированию тысяч атомов

Si _Ge :

Кремний, занимающий узел решетки германия

Si _int :

Кремний межстраничный

SL:

Сверхрешетка

SZP:

Базисные наборы с одним ζ плюс поляризационная орбиталь

V _Ge :

Вакансия германия

V _Si :

Вакансия кремния