Simulasi Ab Initio Respons Radiasi Energi Rendah pada Si, Ge, dan Superjaring Si/Ge
Abstrak
Menggunakan dinamika molekular ab initio, kami memeriksa bagaimana irradiasi ion energi rendah mempengaruhi silikon bulk (Si), geranium bulk (Ge), dan superjaring Si/Ge (SL). Studi mengungkapkan bahwa atom Ge pada antarmuka SL mempertahankan resistensi perpindahan yang mirip dengan Ge bulk, sedangkan atom Si di dekat antarmuka menunjukkan ambang perpindahan yang lebih tinggi daripada Si bulk, yang menunjukkan toleransi radiasi yang ditingkatkan. Mekanisme pembentukan cacat berbeda antara struktur bulk dan SL, dengan SL menghasilkan kluster cacat yang lebih kompleks. Perhitungan energi pembentukan cacat dan hambatan migrasi menunjukkan bahwa cacat titik dalam SL lebih sulit terbentuk dan rongga kurang mobile. Temuan ini menunjukkan bahwa SL Si/Ge menjanjikan untuk perangkat elektronik dan optoelektronik yang beroperasi dalam lingkungan kaya radiasi.
Latar Belakang
Dalam beberapa tahun terakhir, superjaring Si/Ge telah muncul sebagai platform serbaguna untuk perangkat elektronik dan optoelektronik generasi mendatang, didorong oleh struktur pita yang dapat disesuaikan dan mobilitas penangkap yang ditingkatkan. Aplikasi meliputi fotodioda cepat untuk komunikasi optik, mikroelektronika, sel surya, dan komponen terkait ruang angkara. Namun, paparan ion energi tinggi di luar angkasa dapat mengubah properti optik dan elektronik material ini, yang mengarah pada degradasi perangkat. Oleh karena itu, pemahaman tentang respons radiasi SL Si/Ge dalam kondisi ekstrim sangat penting.
Percobaan telah mendokumentasikan resistensi radiasi yang lebih baik dari SL Si/Ge dibandingkan dengan Si bulk. Misalnya, studi irradiasi elektron pada SL monolayer Ge yang tersemat menunjukkan degradasi fotoluminesensi yang berkurang dibandingkan dengan silikon bulk, sedangkan irradiasi proton 2 MeV dari struktur Ge titik kuantum dalam SL menunjukkan toleransi luar biasa. Tren serupa diamati pada perangkat sumur kuantum Ge pada lapisan multi Si/Ge dan pada pengukuran termolistrik, di mana fluensi ion meningkatkan angka merit dengan meningkatkan pemantulan fonon dan transportasi elektron. Meskipun wawasan ini, pemahaman atomistik yang komprehensif tentang pembentukan dan evolusi cacat dalam SL Si/Ge masih belum tersedia.
Dinamika molekular ab initio (AIMD) menawarkan alat yang kuat untuk meneliti kerusakan radiasi pada skala atom, menyediakan potensial antar atom yang berasal dari perhitungan struktur elektron prinsip pertama. Berbeda dengan MD klasik, AIMD menangkap transfer muatan dan efek penyaringan elektron, yang memungkinkan penentuan yang akurat energi perpindahan ambang (E_d) dan konfigurasi cacat. Dalam penelitian ini, kami menggunakan AIMD untuk membandingkan peristiwa perpindahan energi rendah pada Si bulk, Ge bulk, dan SL Si₂/Ge₂, mengidentifikasi mekanisme yang mendasari perilaku radiasi yang berbeda, dan mengukur energetik pembentukan dan migrasi cacat.
Metode
Kaskade perpindahan disimulasikan dengan kode SIESTA. Potensial pseudopotensi Troullier-Martins yang mematuhi norma digunakan untuk interaksi ion-elektron, sementara deketasi lokal (LDA) dalam parameterisasi Ceperley–Alder memperlakukan efek korelasi-pertukaran. Nilai valensi diperluas dalam basis set single-ζ plus polarisasi (SZP), dengan jaringan k-point 1 × 1 × 1 dan cutoff 60 Ry. Sel model super untuk SL terdiri dari 288 atom yang diatur dalam dua lapis Si bergantian dengan dua lapis Ge (Si₂/Ge₂). Gambar 1 mengilustrasikan geometri Si bulk dan SL Si/Ge.
Atom pukulan primer (PKA) dipilih dan diberikan energi kinetik untuk memicu peristiwa recoil. Jika PKA kembali ke situs jaringannya, simulasi diulang pada energi yang lebih tinggi dengan kenaikan 5 eV; setelah PKA tetap terpindahkan, ambang diperbaiki hingga presisi 0,5 eV. Untuk setiap elemen, kami memeriksa empat hingga lima arah kristalografi dalam bulk dan SL. Semua jalankan menggunakan ensemble NVE dan dibatasi hingga 1,2 ps untuk menghindari ketidakstabilan numerik.
Tampilan skematik struktur geometris a Si bulk dan b superjaring Si/Ge. Bola biru dan hijau mewakili atom Si dan Ge, masing-masing.
Hasil dan Pembahasan
Peristiwa Perpindahan pada Silikon dan Jermanium Bulk
Perhitungan AIMD kami menghasilkan konstanta jaringan 5,50 Å untuk Si bulk (cocok dengan eksperimental 5,43 Å dan teoretis 5,48 Å) dan 5,71 Å untuk Ge bulk (sesuai dengan eksperimental 5,77 Å dan teoretis 5,65 Å). Tabel 1 merangkum energi perpindahan ambang (E_d) dan struktur cacat yang dihasilkan, sementara Gambar 2 dan 3 menggambarkan konfigurasi kerusakan untuk Si dan Ge, masing-masing.
a–d Tampilan skematik struktur geometris Si yang rusak setelah peristiwa recoil. Bola hijau dan merah menunjukkan cacat rongga dan interstisial, masing-masing. V_Si: rongga silikon; Si_int: interstisial silikon.
a–d Tampilan skematik struktur geometris Ge yang rusak setelah peristiwa recoil. Bola merah dan biru mewakili cacat rongga dan interstisial, masing-masing. V_Ge: rongga geranium; Ge_int: interstisial geranium.
Untuk Si bulk, nilai E_d yang dihitung mendekati pengukuran eksperimental: 21 eV untuk [001], ~47,6 eV untuk [110], dan ~12,9 eV untuk [111]. Jenis cacat utama dalam semua kasus adalah pasangan Frenkel (rongga ditambah interstisial). E_d kami untuk [110] (47 eV) melebihi nilai MD klasik (24 eV), yang mencerminkan inklusi efek transfer muatan dalam AIMD. Mekanisme perpindahan bervariasi: sepanjang [111], PKA berserakan ke situs interstisial sementara atom yang terpindah kembali ke situs jaringannya; sepanjang [001], urutan pertukaran yang lebih kompleks menghasilkan dua rongga dan dua interstisial; dan sepanjang [110], tabrakan ganda menghasilkan kluster pasangan Frenkel. Hasil ini mengonfirmasi bahwa arah [110] adalah yang paling tahan terhadap perpindahan dalam Si bulk.
Ge bulk menunjukkan nilai E_d yang sesuai dengan eksperimen dan teori: ~18 eV untuk [001] dan 9,5 eV untuk [111] dan [1 1 1]. Perpindahan sepanjang [111] menghasilkan pembentukan interstisial sederhana, sedangkan sepanjang [110] PKA bertukar posisi dengan atom Ge tetangga, menciptakan satu rongga dan satu interstisial. Seperti dalam Si, arah [110] adalah yang paling sulit untuk dipindahkan. Lanskap cacat keseluruhan dalam Si dan Ge bulk didominasi oleh pasangan Frenkel.
Peristiwa Perpindahan pada Superjaring Si/Ge
Kami menyelidiki SL Si₂/Ge₂ dengan memilih atom PKA yang berdekatan dengan antarmuka Si/Ge. Tabel 2 mencantumkan nilai E_d dan cacat terkait, sementara Gambar 4 dan 5 mengilustrasikan konfigurasi yang dihasilkan.
a–d Tampilan skematik struktur geometris superjaring Si/Ge yang rusak setelah peristiwa recoil Si. Bola biru dan hijau menunjukkan atom Si dan Ge; bola ungu dan merah mewakili cacat rongga dan interstisial. V_X dan X_int menunjukkan rongga dan interstisial (X = Si atau Ge), sementara X_Y menunjukkan atom yang menempati situs jaringan Y.
a–e Tampilan skematik struktur geometris superjaring Si/Ge yang rusak setelah peristiwa recoil Ge. Bola biru dan hijau menunjukkan atom Si dan Ge; bola ungu dan merah mewakili cacat rongga dan interstisial. V_X dan X_int menunjukkan rongga dan interstisial (X = Si atau Ge), sementara X_Y menunjukkan atom yang menempati situs jaringan Y.
Dalam SL, atom Si sangat tahan terhadap arah [1 1 1] (E_d = 10 eV), sementara Si[001] dan Si[00 1̅] memerlukan 46,5 eV dan 42,5 eV, masing-masing, dan menghasilkan kluster antisit yang kompleks. Atom Ge dalam SL mempertahankan nilai E_d rendah sepanjang [111] dan [1 1 1̅] (≈16 eV) yang mirip dengan Ge bulk, tetapi menunjukkan ambang yang lebih tinggi sepanjang [001] (≈17 eV) dan [00 1̅] (≈18 eV). Pentingnya, Ge[110] dalam SL memiliki E_d yang lebih rendah (8,5 eV) dan menghasilkan kluster cacat campuran (rongga, antisit, interstisial). Temuan ini mengonfirmasi bahwa SL meningkatkan toleransi radiasi untuk Si dan, dalam tingkat yang lebih rendah, untuk Ge, sesuai dengan pengamatan eksperimental sebelumnya.
Energi Pembentukan Cacat dan Hambatan Migrasi pada Si Bulk, Ge, dan Superjaring Si/Ge
Kami menghitung energi pembentukan cacat untuk rongga, interstisial, dan antisit pada Si bulk, Ge bulk, dan SL menggunakan sel super 64 atom, sampel k-point 6 × 6 × 6, dan cutoff 500 eV. Hasilnya, yang ditunjukkan dalam Tabel 3, mengindikasikan bahwa V_Si (3,60 eV) dan V_Ge (2,23 eV) adalah cacat yang paling menguntungkan dalam material bulk masing-masing, sementara SL menampilkan energi pembentukan yang sedikit lebih tinggi untuk sebagian besar cacat, dengan V_Ge (2,73 eV) dan V_Si (2,85 eV) masih menjadi yang terendah.
Hambatan migrasi dievaluasi untuk V_Ge dan V_Si yang berdekatan dengan antarmuka SL menggunakan metode busur elastis (Tabel 4). Rongga bermigrasi lebih mudah sepanjang arah [111] dalam baik bulk maupun SL, tetapi hambatannya secara konsisten lebih rendah dalam bulk (misalnya, V_Si sepanjang [111]: 0,11 eV dalam bulk versus 0,12 eV dalam SL). Dalam kontras, migrasi sepanjang [100] dan [110] menunjukkan perbedaan yang kecil. Hasil ini menunjukkan bahwa mobilitas rongga ditekan dalam SL, yang dapat mengurangi klusterisasi cacat dan pembengkakan di bawah irradiasi.
Kesimpulan
Penelitian AIMD kami menunjukkan bahwa energi ambang perpindahan dalam Si bulk dan Ge sangat anisotropis, dengan arah [110] yang paling tahan. Dalam SL Si/Ge, atom Si menunjukkan resistensi yang ditingkatkan sepanjang arah [111] dan [001], sedangkan atom Ge mempertahankan ambang mirip bulk kecuali untuk nilai yang lebih rendah sepanjang [110]. Energi pembentukan cacat mengonfirmasi bahwa cacat titik lebih sulit untuk dibuat dalam SL, dan hambatan migrasi menunjukkan mobilitas rongga yang berkurang, terutama entlang arah [111] yang paling menguntungkan. Efek gabungan ini menjadi dasar dari toleransi radiasi yang unggul dari superjaring Si/Ge, membuatnya menarik untuk perangkat yang harus menahan lingkungan radiasi yang ekstrem.
Singkatan
AIMD:
Dinamika molekular ab initio
E_d:
Energi perpindahan ambang
FP:
Pasangan Frenkel
Ge:
Jermanium
Ge_int:
Interstisial jermanium
Ge_Si:
Jermanium yang menempati situs jaringan silikon
LDA:
Deketasi lokal
MD:
Dinamika molekular
NVE:
Ensemble mikrokanonik
PKA:
Atom pukulan primer
PL:
Fotoluminesensi
QD:
Titik kuantum
QW:
Sumur kuantum
Si:
Silikon
SIESTA:
Inisiatif Spanyol untuk Simulasi Elektronik dengan Ribuan Atom
