Simulasi Teoritis Respon Radiasi Superlattice Si, Ge, dan Si/Ge Terhadap Iradiasi Energi Rendah
Abstrak
Dalam studi ini, respons radiasi energi rendah dari superlattice Si, Ge, dan Si/Ge diselidiki dengan metode dinamika molekul ab initio dan asal-usul perilaku radiasi yang berbeda dieksplorasi. Ditemukan bahwa resistansi radiasi atom Ge yang berada di sekitar antarmuka superlattice Si/Ge sebanding dengan bulk Ge, sedangkan atom Si di sekitar antarmuka lebih sulit untuk dipindahkan daripada bulk Si, menunjukkan toleransi radiasi yang ditingkatkan sebagai dibandingkan dengan Si massal. Mekanisme untuk pembentukan cacat dalam struktur massal dan superlattice menunjukkan karakter yang agak berbeda, dan cacat terkait dalam superlattice lebih kompleks. Formasi cacat dan perhitungan migrasi menunjukkan bahwa dalam struktur superlattice, cacat titik lebih sulit dibentuk dan kekosongan kurang bergerak. Toleransi radiasi yang ditingkatkan dari superlattice Si/Ge akan bermanfaat untuk aplikasinya sebagai perangkat elektronik dan optoelektronik di bawah lingkungan radiasi.
Latar Belakang
Selama dekade terakhir, superlattice Si/Ge (SL) telah menarik banyak perhatian dalam penelitian semikonduktor karena kontribusi potensial untuk pengembangan perangkat elektronik dan optoelektronik baru [1,2,3,4,5,6]. Sebagai contoh, studi fotokonduktivitas Si/Ge SL sangat penting untuk fotodioda sebagai emitor dan penerima untuk komunikasi optik yang cepat [5]. Dalam aplikasinya seperti komponen elektronik ruang angkasa, komponen mikroelektronika, sel surya dan elektronik berbasis ruang angkasa [1, 4, 6], sifat optik dan elektronik Si/Ge SL dapat diubah karena bombardir energi tinggi. ion energi dari lingkungan luar angkasa, yang mengakibatkan penurunan kinerja perangkat elektronik. Oleh karena itu, perlu untuk menyelidiki respons radiasi bahan semikonduktor ini di bawah kondisi kerja yang ekstrem.
Baru-baru ini, banyak peneliti telah mempelajari efek kerusakan radiasi superlattice Si/Ge [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Sobolev dkk. menyelidiki pengaruh iradiasi elektron pada photoluminescence (PL) dari Si/Ge SL yang mengandung monolayer Ge murni, dan peningkatan ketahanan radiasi dari struktur SL ditemukan dibandingkan dengan silikon curah [12]. Fonseca dkk. menyinari Si/Ge SL dengan titik kuantum Ge tertanam (QDs) menggunakan iradiasi proton 2,0 MeV dan menemukan ketahanan radiasi tinggi yang luar biasa dari struktur QD-in-SL [13]. Hasil serupa diperoleh oleh Leitão et al., yang melaporkan bahwa sumur kuantum Ge (QWs) yang diendapkan pada struktur dioda yang mengandung struktur multilayer Si/Ge lebih tahan terhadap iradiasi proton dibandingkan dengan Ge QWs tunggal [14]. Sebagai bahan termoelektrik yang menjanjikan, karakteristik termoelektrik sistem Si/Ge mungkin juga terpengaruh di bawah lingkungan radiasi [11, 15]. Zheng dkk. menyinari beberapa lapisan periodik Si1 − x Gex /Si menggunakan ion Si 5 MeV, dan mereka menemukan bahwa nilai termo-listrik meningkat dengan meningkatnya kelancaran ion Si [11]. Cacat dan gangguan struktural mengurangi konduktivitas termal bidang silang dengan menyerap dan menghilangkan fonon di sepanjang kisi, dan kerapatan elektronik keadaan di miniband struktur QD meningkatkan konduktivitas listrik dan koefisien Seebeck, yang semuanya berkontribusi pada peningkatan gambar jasa [11].
Secara teoritis, Sayed dan Windl keduanya menyelidiki perpindahan atom massal Si menggunakan metode dinamika molekul klasik (MD) [17, 18]. Mereka menemukan bahwa energi perpindahan ambang (Ed s) tergantung pada arah knock-on dan kondisi kerusakan terutama disebabkan oleh cacat pasangan Frenkel (FP) [17, 18]. Caturla dkk. mempelajari efek massa ion dan energi pada kerusakan radiasi massal Si menggunakan metode MD [19]. Mereka melaporkan bahwa produksi amorfisasi serta cacat titik terisolasi dan kluster kecil memiliki ketergantungan yang kuat pada massa ion dan hubungan yang lemah dengan energi ion [19]. Holmström dkk. menghitung Ed s untuk germanium menggunakan metode MD dan ditemukan bahwa cacat stabil adalah cacat FP [20]. Shaw dkk. menerapkan metode ab initio untuk mempelajari efek cacat antimon dan germanium pada struktur elektronik heterostruktur Si/Ge dan menemukan bahwa cacat ini berinteraksi dengan antarmuka Si/Ge, menghasilkan resonansi lokal terkait antarmuka dan gangguan lokal besar pada elektronik struktur [21]. Terlepas dari penyelidikan yang disebutkan ini, tidak ada simulasi teoretis dari proses dinamis kerusakan radiasi Si / Ge SL yang telah dilaporkan dalam literatur sejauh ini. Masih ada kekurangan pemahaman tingkat atom tentang evolusi mikro-struktur dan mekanisme yang mendasari untuk generasi cacat dalam superlattices semikonduktor.
Metode dinamika molekul ab initio (AIMD) telah terbukti menjadi alat penting untuk menjelaskan proses kerusakan radiasi dan memang telah berhasil dalam mensimulasikan peristiwa mundur dari serangkaian bahan semikonduktor dan keramik [22,23,24, 25,26,27]. Dibandingkan dengan metode MD klasik, potensi interatomik diperoleh dari perhitungan struktur elektronik daripada pemasangan empiris hasil eksperimen. Akibatnya, banyak parameter fisik seperti Ed s dapat ditentukan dengan akurasi ab initio. Dalam penelitian ini, metode AIMD digunakan untuk membandingkan perilaku respon bulk Si, Ge, dan Si/Ge SL di bawah iradiasi energi rendah. Energi perpindahan ambang batas telah ditentukan, dan distribusi cacat dan jalur untuk menghasilkan cacat telah disediakan. Kemungkinan asal dari perbedaan toleransi radiasi antara Si (Ge) massal dan Si/Ge SL juga dieksplorasi. Hasil yang disajikan memberikan wawasan mendasar tentang mekanisme mikroskopis peristiwa perpindahan dalam jumlah besar Si, Ge, dan Si/Ge SL dan memajukan pemahaman tentang respons radiasi bahan-bahan ini di bawah lingkungan radiasi.
Metode
Peristiwa perpindahan energi rendah dari Si, Ge, dan Si/Ge SL massal disimulasikan oleh kode Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousand of Atoms (SIESTA). Pseudopotentials Troullier-Matrins yang melestarikan norma [28] digunakan untuk menentukan interaksi antara ion dan elektron, dan potensi pertukaran-korelasi dijelaskan oleh pendekatan kepadatan lokal (LDA) dalam parameterisasi Ceperly-Alder [29]. Fungsi gelombang valensi diperluas dengan himpunan basis orbital atom terlokalisasi, dan himpunan basis ζ tunggal plus orbital polarisasi (SZP) digunakan, dengan pengambilan sampel titik-K 1 × 1 × 1 di zona Brillouin dan dari energi 60 Ry. Dalam penelitian ini, sebuah Si2 /Ge2 SL, yang terdiri dari dua lapisan Si bergantian dengan dua lapisan Ge dan total 288 atom, dipertimbangkan. Gambar 1 mengilustrasikan konfigurasi geometris untuk Si massal dan Si/Ge SL. Sebuah atom tertentu dipilih sebagai atom knock-on utama (PKA), dan diberi energi kinetik untuk memulai peristiwa mundur. Jika PKA kembali ke posisi semula pada akhir peristiwa perpindahan, simulasi dimulai kembali pada energi rekoil yang lebih tinggi dengan kenaikan energi sebesar 5 eV. Setelah PKA dipindahkan secara permanen dari lokasi kisinya, proses tambahan dibuat sebelumnya untuk meningkatkan presisi menjadi 0,5 eV. Untuk setiap jenis atom, empat dan lima arah kejadian utama diperhitungkan untuk Si (Ge) curah dan Si/Ge SL, masing-masing. Simulasi dilakukan dengan ansambel NVE dan durasi maksimum setiap putaran adalah 1,2 ps untuk menghindari ketidakstabilan sistem.
Tampilan skema struktur geometris a massal Si dan b superlattic Si/Ge. Bola biru dan hijau masing-masing mewakili atom Si dan Ge
Hasil dan Diskusi
Peristiwa Perpindahan pada Silikon Massal dan Germanium
Konstanta kisi curah Si ditentukan sebesar 5,50 Å, yang sesuai dengan hasil teoretis 5,48 Å [30] dan hasil eksperimen 5,43 Å [31]. Dibandingkan dengan bulk Si, konstanta kisi bulk Ge lebih besar, yaitu 5,71 Å, yang konsisten dengan hasil perhitungan 5,65 Å [30] dan nilai eksperimen 5,77 Å [31]. Energi perpindahan ambang batas yang kami hitung untuk massal Si dan Ge dirangkum dalam Tabel 1, bersama dengan cacat terkait setelah peristiwa perpindahan. Konfigurasi untuk keadaan akhir kerusakan dari rekoil Si dan Ge diplot pada Gambar. 2 dan 3, masing-masing.
a –d Tampilan skema struktur geometris kerusakan Si setelah peristiwa mundur. Bola hijau dan merah masing-masing mewakili kekosongan dan cacat pengantara. VSi :lowongan silikon; Siint :pengantara silikon
a –d Tampilan skema struktur geometris kerusakan Ge setelah peristiwa mundur. Bola merah dan biru masing-masing mewakili kekosongan dan cacat pengantara. VGe :lowongan germanium; Geint :pengantara germanium
Untuk Si massal, Ed nilai sedikit lebih kecil dari hasil eksperimen 21 eV untuk [001] [32], ~ 47.6 eV untuk [110] [33], dan ~ 12.9 eV untuk [111] [34] arah, dan eksperimen dan perhitungan kami mengungkapkan bahwa keadaan akhir yang rusak adalah cacat pasangan Frenkel (FP). Juga dicatat bahwa Ed nilai dalam penelitian ini umumnya sebanding dengan hasil MD yang dilaporkan oleh Windl et al. [18], kecuali kasus [110], di mana nilai yang kami hitung 47 eV jauh lebih besar daripada hasil MD 24 eV. Simulasi AIMD sebelumnya dari interaksi ion-padat di SiC mengungkapkan bahwa peristiwa perpindahan sebenarnya adalah proses transfer muatan dan transfer muatan ke dan dari atom yang mundur dapat mengubah hambatan energi dan dinamika untuk pembentukan cacat yang stabil [35]. Nilai E . yang lebih rendah d ditemukan oleh AIMD dibandingkan dengan yang ditentukan oleh MD klasik mungkin karena fakta bahwa transfer muatan yang terjadi selama peristiwa mundur diperhitungkan oleh metode AIMD, sedangkan dalam simulasi MD klasik, muatan atom adalah tetap. Dalam studi Windl et al., energi kinetik ditransfer ke PKA untuk menghasilkan satu kekosongan silikon (VSi ) dan satu pengantara silikon (Siint ) cacat [18]. Sebaliknya, dalam penelitian kami, cacat terkait untuk peristiwa perpindahan Si[110] mengandung dua VSi dan dua Siint cacat, menghasilkan energi yang lebih tinggi untuk pembentukan keadaan rusak. Ed nilai untuk Si[111] dan Si\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \) sangat dekat satu sama lain, yaitu masing-masing 9,5 dan 10 eV. Dalam kedua kasus, cacat yang dibuat adalah VSi dan Siint (lihat Gambar 2c, d), sedangkan mekanisme pembentukan cacat menunjukkan karakter yang berbeda. Dalam kasus Si[111], Si PKA bergerak sepanjang arah \( \kiri[11\overline{1}\kanan] \) karena interaksi tolak-menolak dan bertabrakan dengan atom Si tetangganya. Si PKA kemudian menyebar untuk menempati situs interstisial (Siint ), dan Si yang digantikan bergerak kembali ke lokasi kisi PKA. Cacat terkait adalah satu VSi dan satu Siint cacat. Adapun Si\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), kejadian perpindahan relatif lebih sederhana, yaitu, Si PKA bergerak 4,69 Å dari situs kisinya ke membentuk Siint cacat. Dalam kasus Si[001] dan Si[110], Ed s ditentukan masing-masing 20 dan 47 eV, menunjukkan bahwa atom Si lebih sulit untuk dipindahkan sepanjang arah [110]. Status akhir kerusakan untuk Si[001] dan Si[110] agak berbeda. Dalam kasus Si[001], PKA menerima energi kinetik dan bergerak sepanjang arah [001] untuk bertabrakan dengan atom tetangganya. Atom Si yang diganti terus bergerak dan menempati situs interstisial, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Sedangkan untuk Si[110], PKA menyebar ke arah\( \left[11\overline{1}\right] \)karena interaksi tolak-menolak antara PKA dan atom tetangganya dan menumbuk satu atom Si tetangga (Si1) . Kemudian, Si PKA memantul ke arah [111] untuk menggantikan atom Si lain (Si2), dan atom Si2 menempati situs interstisial pada akhirnya. Atom Si1 menerima energi yang cukup untuk bergerak sepanjang arah [110] dan menggantikan atom Si tetangganya (Si3), yang membentuk cacat interstisial. Pada akhirnya, cacat terkait adalah dua VSi dan dua Siint cacat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.
Untuk Ge massal, nilai Ed sesuai dengan nilai eksperimental ~ 18 eV [36] dan nilai teoretis 18,5 eV [20] untuk arah [001]. Perlu dicatat bahwa nilai sekarang 9,5 eV sebanding dengan hasil Holmström sebesar 12,5 eV [20] untuk [111] arah, yang lebih kecil dari nilai eksperimen ~ 15 eV [36]. Untuk Ge[111] dan Ge\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), ditentukan Ed nilainya sekecil 9,5 eV, yang menunjukkan bahwa atom Ge mudah dipindahkan sepanjang dua arah ini. Dalam kedua kasus, cacat terkait adalah kekosongan germanium dan interstisial germanium (lihat Gambar 3c, d). Untuk Ge\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), Ge PKA tidak mengikuti jalan lurus, tetapi dibelokkan dengan kuat oleh salah satu tetangga terdekatnya untuk menempati situs pengantara (Geint ). Sebaliknya, dalam kasus Ge[111], Ge PKA bergerak 4,92 Å sepanjang arah [111] untuk membentuk cacat interstisial (Geint ). Dibandingkan dengan Ed dari Ge[001], nilai Ge[110] lebih besar 10 eV, menunjukkan bahwa atom Ge lebih sulit untuk dipindahkan sepanjang arah [110]. Meskipun cacat terkait untuk Ge[001] dan Ge[110] serupa, mekanisme untuk pembentukan cacat agak berbeda. Ge PKA menerima energi kinetik dan bergerak sepanjang arah [001] untuk bertabrakan dengan atom tetangganya. Atom Ge yang diganti terus bergerak dan menempati situs interstisial, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Adapun Ge[110], rekoil Ge bertabrakan dengan atom Ge tetangga pertamanya (Ge1) sepanjang arah [110] dan memantul kembali sepanjang arah [111], menghasilkan pembentukan Geint . Atom Ge1 meninggalkan situs kisinya dan menggantikan atom Ge tetangganya (Ge2). Selanjutnya, atom Ge2 bergerak kembali ke situs kisi Ge1 dan akhirnya hanya satu VGe dan satu Geint cacat terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Hasil ini menunjukkan bahwa dalam jumlah besar Si dan Ge, Ed s sangat bergantung pada arah kristalografi, dan atom lebih sulit dipindahkan sepanjang arah [110]. Keadaan akhir kerusakan radiasi dalam jumlah besar Si dan Ge sebagian besar adalah cacat FP, yaitu cacat kekosongan dan interstisial.
Peristiwa Perpindahan di Si/Ge Superlattice
Dalam studi ini, peristiwa perpindahan Si2 /Ge2 SL, yang berisi dua lapisan Si bergantian dengan dua lapisan Ge (lihat Gambar 1b), dipertimbangkan. Atom Si dan Ge yang berdekatan dengan antarmuka Si/Ge dipilih sebagai PKA. Ed s untuk rekoil Si dan Ge dan cacat terkait tercantum dalam Tabel 2. Konfigurasi cacat untuk rekoil Si dan Ge diilustrasikan pada Gambar. 4 dan 5, masing-masing. Perlu dicatat bahwa dalam kasus Si[111], tidak ada cacat yang dibuat bahkan pada energi hingga 100 eV. Karena batasan komputasi, kami tidak melakukan simulasi lebih lanjut dari peristiwa mundur pada energi yang lebih tinggi dari 100 eV, dan E yang tepat d nilai untuk Si[111] tidak ditentukan.
a –d Tampilan skema struktur geometrik kerusakan superlattice Si/Ge setelah peristiwa recoil Si. Bola biru dan hijau masing-masing mewakili atom Si dan Ge. VX :X lowongan (X = Si atau Ge); Xint :X pengantara (X = Si atau Ge); XY :X menduduki Y situs kisi (X dan Y = Si atau Ge). Bola ungu dan merah masing-masing mewakili kekosongan dan cacat pengantara
a –e Tampilan skema struktur geometrik kerusakan superlattice Si/Ge setelah peristiwa recoil Ge. Bola biru dan hijau masing-masing mewakili atom Si dan Ge. VX :X lowongan (X = Si atau Ge); Xint :X pengantara (X = Si atau Ge); XY :X menduduki Y situs kisi (X dan Y = Si atau Ge). Bola ungu dan merah masing-masing mewakili kekosongan dan cacat pengantara
Dalam struktur SL Si/Ge, Si PKA ditemukan mudah dipindahkan sepanjang arah \( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), seperti yang ditunjukkan oleh kecil Ed nilai 10 eV. Jalur untuk menghasilkan cacat sangat sederhana, yaitu, Si PKA bergerak 4,61 Å dari situs kisinya dan membentuk Siint cacat. Untuk Si[001] dan Si\( \left[00\overline{1}\right] \), Ed s ditentukan masing-masing 46,5 dan 42,5 eV, dan cacat yang rusak berbeda seperti yang diharapkan. Dalam kasus Si[001], Si PKA bergerak sepanjang arah [001] untuk menggantikan atom Ge tetangganya (SiGe ), dan atom Ge yang digantikan bertabrakan dengan atom Si yang berdekatan dan menempati situs kisinya, membentuk GeSi cacat antisite. Atom Si yang digantikan menerima energi yang cukup dan selanjutnya menggantikan atom Ge lainnya (SiGe ), yang akhirnya menempati situs interstisial. Akhirnya, cacat terkait adalah satu VSi , satu Geint , dan tiga cacat antisite. Adapun Si\( \left[00\overline{1}\right] \), dua atom Ge tetangga dan satu atom Si tetangga juga terlibat dalam peristiwa perpindahan, dan keadaan rusak mengandung dua kekosongan, dua interstisial, dan dua cacat antisite, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Dalam kasus Si [110], atom Si bergerak menabrak atom Si tetangganya dan menyebar ke arah \( \kiri[11\overline{1}\kanan] \). Kemudian, Si PKA menggantikan satu atom Ge tetangga, yang menempati situs interstisial pada akhirnya. Setelah peristiwa perpindahan, cacat terkait mengandung satu VSi , satu SiGe, dan satu Geint cacat. Dibandingkan dengan Si massal, atom Si di Si/Ge SL umumnya lebih sulit untuk dipindahkan kecuali kasus [110] dan mekanisme pembentukan cacat lebih kompleks, menunjukkan bahwa Si massal dan Si/Ge SL menunjukkan respon radiasi yang berbeda terhadap iradiasi. Hasil kami konsisten dengan percobaan yang dilakukan oleh Fonseca et al. dan Leitão dkk. [13, 14], yang juga menemukan bahwa ketahanan radiasi struktur SL ditingkatkan dibandingkan dengan silikon curah.
Untuk rekoil Ge dalam Si/Ge SL, atom Ge mudah dipindahkan sepanjang arah [111] dan \( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), yang mirip dengan peristiwa mundur Ge dalam jumlah besar Ge. Meskipun status akhir kerusakan radiasi untuk Ge[111] dan Ge\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \) sangat mirip, yaitu, cacat Ge FP, mekanismenya generasi cacat berbeda. Dalam kasus Ge[111], Ge PKA bergerak 4,77 Å dari situs kisinya dan membentuk Geint cacat. Untuk Ge\( \left[\overline{1}\overline{1}\overline{1}\right] \), atom Ge bergerak sepanjang \( \left[\overline{1}\overline{1} \overline{1}\right] \) arah untuk menggantikan atom Ge tetangganya. Atom Ge yang bertabrakan bergerak sepanjang arah ini dan menempati situs interstisial pada akhirnya. Perlu dicatat bahwa Ed nilai 16 eV untuk Ge[001] dan 17,5 eV untuk Ge\( \left[00\overline{1}\right] \) sebanding dengan nilai 18 eV untuk Ge[001] dalam Ge massal, sedangkan nilai terkait cacat menunjukkan karakter yang berbeda. Dalam kasus Ge[001], Ge PKA menerima energi yang cukup tetapi menyebar sepanjang arah [111] untuk menggantikan atom Si tetangganya, membentuk GeSi cacat antisite. Kemudian, atom Si yang digantikan menempati situs kisi Ge PKA dan membentuk cacat antisite (SiGe ). Dalam kasus Ge\( \left[00\overline{1}\right] \), PKA Ge bergerak 5,63 Å untuk menggantikan atom Si tetangganya. Atom Si bergerak sepanjang arah ini dan membentuk sebuah Siint cacat. Dibandingkan dengan Ge[110] dalam Ge massal, Ed untuk Ge[110] dalam Si/Ge SL 8,5 eV lebih kecil, dan cacat terkait lebih kompleks, seperti yang ditunjukkan oleh satu VGe , satu GeSi , dan satu Siint cacat. Membandingkan peristiwa mundur Ge dalam jumlah besar Ge dan SL, kami menemukan bahwa atom Ge di Si/Ge SL lebih tahan sepanjang arah [110]. Untuk peristiwa perpindahan lainnya, Ed s umumnya sebanding dengan yang untuk negara bagian massal. Namun, keadaan akhir kerusakan radiasi dalam jumlah besar Ge dan Si/Ge SL berbeda, dan beberapa cacat antisite dibuat dalam struktur Si/Ge SL. Hasil ini menunjukkan bahwa recoil Ge dalam struktur Si/Ge SL menunjukkan respon radiasi yang berbeda terhadap iradiasi. Membandingkan rekoil Si dan Ge dalam struktur SL, kami menemukan bahwa peristiwa perpindahan atom Si jauh lebih terpengaruh daripada Ge, yaitu, Ed s untuk atom Si dalam struktur SL umumnya meningkat, yang dapat menyebabkan peningkatan ketahanan radiasi Si/Ge SL. Sobolev dkk. telah menemukan bahwa Si/Ge SL menunjukkan kekerasan radiasi yang sangat tinggi dibandingkan dengan Si massal [12], yang konsisten dengan hasil kami.
Energi Formasi Cacat dan Penghalang Migrasi di Bulk Si, Ge, dan Si/Ge Superlattice
Dalam jumlah besar Si dan Ge, keadaan yang rusak sebagian besar adalah kekosongan dan cacat interstisial. Adapun Si/Ge SL, cacat terkait mengandung cacat kekosongan, interstisial, dan antisite dan mekanisme generasi cacat umumnya lebih kompleks. Perbedaan dalam ketahanan terhadap pembentukan cacat antara bahan komponen curah dan Si/Ge SL dapat mengakibatkan toleransi radiasi yang berbeda. Untuk menyelidiki lebih lanjut asal usul respons radiasi yang berbeda dari bahan semikonduktor ini, kami menghitung energi pembentukan kekosongan, cacat interstisial dan antisit dalam keadaan massal dan struktur SL dan penghalang migrasi dari cacat yang paling menguntungkan menggunakan metode teori fungsi kepadatan. Perhitungan didasarkan pada supercell yang terdiri dari 64 atom, dengan pengambilan sampel titik-k 6 × 6 × 6 di ruang nyata dan energi cutoff 500 eV.
Energi pembentukan cacat dalam jumlah besar Si, Ge, dan Si/Ge SL tercantum dalam Tabel 3, bersama dengan hasil perhitungan lainnya. Dalam jumlah besar Si, energi formasi untuk VSi , Siint , dan cacat Si FP dihitung masing-masing menjadi 3,60, 3,77, dan 4,62 eV, yang sesuai dengan perhitungan lainnya [37,38,39,40]. Hasil kami menunjukkan bahwa VSi cacat lebih mudah dibuat dalam jumlah besar Si. Demikian pula, VGe cacat dalam jumlah besar Ge lebih menguntungkan daripada Geint dan cacat Ge FP, seperti yang ditunjukkan oleh energi pembentukan cacat terkecil 2,23 eV, yang sebanding dengan nilai teoritis 2,09 eV [39]. Sedangkan untuk Si/Ge SL, energi pembentukan VGe ditentukan menjadi 2,73 eV, yang lebih kecil dari energi formasi cacat lainnya. Cacat menguntungkan berikutnya adalah VSi cacat, dan energi formasi ditentukan menjadi 2,85 eV. Perlu dicatat bahwa nilai 3,52 eV untuk Geint lebih kecil dari nilai 3,77 eV untuk Siint cacat. Adapun cacat FP, energi formasi jelas lebih besar, yaitu, 5,19 eV untuk Si FP dan 5,01 eV untuk Ge FP, menunjukkan bahwa cacat FP sulit dibuat. Dibandingkan dengan keadaan massal, energi pembentukan cacat untuk struktur SL Si/Ge umumnya lebih besar kecuali untuk cacat VSi dan Siint , menunjukkan bahwa dalam struktur SL, cacat titik umumnya lebih sulit terbentuk. Perbedaan tersebut dalam ketahanan terhadap pembentukan cacat antara keadaan massal dan struktur SL Si/Ge dapat mengakibatkan respons yang berbeda terhadap iradiasi.
Berdasarkan struktur yang dioptimalkan, perilaku migrasi VGe dan VSi cacat yang merupakan cacat yang paling menguntungkan dalam jumlah besar dan struktur Si/Ge SL diselidiki lebih lanjut. VGe dan VSi cacat yang berdekatan dengan antarmuka Si/Ge diperhitungkan, dan hambatan migrasi diringkas dalam Tabel 4. Perlu dicatat bahwa hambatan migrasi di sepanjang arah [100] dan [110] untuk VGe cacat lebih kecil daripada cacat untuk VSi cacat, dan penghalang energi untuk VGe migrasi sepanjang arah [111] sedikit lebih besar daripada untuk VSi migrasi, yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan oleh Cowern et al. [41].
Lanskap energi migrasi cacat di sepanjang arah [100], [110], dan [111] diplot pada Gambar. 6. Pada Gambar. 6a, hambatan migrasi VSi cacat di sepanjang arah [100] ditentukan masing-masing sebesar 4,32 dan 3,92 eV dalam Si massal dan Si/Ge SL. Sedangkan untuk arah [110], hambatan migrasi sebesar 2,14 eV untuk VSi dalam struktur Si/Ge SL sangat dekat dengan nilai 2,12 eV dalam Si massal. Membandingkan penghalang migrasi di sepanjang setiap arah, kami menemukan bahwa arah [111] adalah arah migrasi yang paling menguntungkan untuk lowongan Si dan Ge, seperti yang ditunjukkan oleh hambatan migrasi yang jauh lebih kecil. Terutama, VSi cacat bermigrasi lebih mudah sepanjang arah [111] dalam jumlah besar Si daripada Si/Ge SL, karena penghalang energi 0,11 eV dalam keadaan massal jauh lebih kecil (lihat Gambar 6e). Adapun VGe cacat, hambatan migrasi sepanjang arah [100] dihitung menjadi 3,67 eV dalam Ge massal dan 2,87 eV dalam Si/Ge SL. Dalam hal arah [110], hambatan energi ditentukan masing-masing menjadi 1,94 dan 1,39 eV dalam struktur curah dan SL. Mirip dengan kasus migrasi kekosongan Si, VGe cacat lebih mudah untuk bermigrasi sepanjang [111] arah. Selain itu, migrasi terjadi lebih mudah dalam Ge massal daripada Si/Ge SL, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6f. Perhitungan kami menunjukkan bahwa kekosongan Si dan Ge lebih mobile dalam keadaan massal daripada struktur SL, yang dapat mengakibatkan pembentukan rongga dan bahkan pembengkakan volume. Ini dapat berkontribusi pada respons yang berbeda terhadap iradiasi untuk struktur curah dan SL.
Hambatan migrasi kekosongan silikon (VSi ) dan lowongan germanium (VGe ) cacat yang diperoleh dengan metode pita elastis cluster nudged. a VSi sepanjang arah [100]; b VGe sepanjang arah [100]; c VSi sepanjang arah [110]; d VGe sepanjang arah [110]; e VSi sepanjang arah [111]; f VGe sepanjang arah [111]
Kesimpulan
Singkatnya, peristiwa perpindahan energi rendah dalam jumlah besar Si, Ge, dan Si/Ge superlattice (SL) telah diselidiki dengan metode dinamika molekul ab initio. Dalam jumlah besar Si dan Ge, energi perpindahan ambang ditunjukkan tergantung pada arah kristalografi dan atom lebih sulit untuk dipindahkan sepanjang arah [110]. Status rusak di negara bagian sebagian besar adalah kekosongan dan cacat interstisial. Pada struktur SL Si/Ge, atom Si lebih resisten sepanjang arah [111], sedangkan atom Ge lebih sulit tergusur sepanjang arah [110]. Perhitungan kami menunjukkan bahwa energi untuk rekoil Ge dalam struktur SL umumnya sebanding dengan yang ada di Ge massal, sedangkan energi untuk rekoil Si dalam struktur SL umumnya jauh lebih besar daripada yang ada di Si massal, yang menunjukkan peningkatan ketahanan radiasi. dari Si/Ge SL. Perhitungan energi formasi cacat menunjukkan bahwa cacat titik pada SL Si/Ge umumnya memiliki energi formasi yang lebih tinggi, menunjukkan bahwa pada struktur SL cacat titik umumnya lebih sulit untuk terbentuk. Juga ditemukan bahwa arah [111] adalah jalur migrasi yang paling menguntungkan untuk kedua lowongan Si dan Ge, dan kedua lowongan lebih mobile di negara bagian daripada di struktur SL. Perhitungan kami menunjukkan bahwa ketahanan radiasi yang ditingkatkan dari Si/Ge SL bermanfaat untuk penerapannya sebagai perangkat elektronik dan optoelektronik dalam kondisi kerja yang ekstrem seperti radiasi.
Singkatan
AIMD:
Dinamika molekul ab initio
Ed :
Ambang batas energi perpindahan
FP:
Pasangan Frenkel
Ge:
Germanium
Geint :
Pengantara Germanium
GeSi :
Germanium menempati situs kisi silikon
LDA:
Perkiraan kepadatan lokal
MD:
Dinamika molekuler
NVE:
Ansambel mikrokanonik
PKA:
Atom knock-on primer
PL:
Fotoluminesensi
QD:
Titik kuantum
QW:
Sumur kuantum
Si:
silikon
SIESTA:
Inisiatif Spanyol untuk Simulasi Elektronik dengan Ribuan Atom
