Компьютерное моделирование устойчивости интерфейсов на основе нанопленок нитрида галлия с помощью модуля «Молекулярная наномеханика»

Цель и задачи лабораторной работы

Целью работы является моделирование устойчивости наноструктурного гетероперехода GaN–SiC.

Задачи:

1. Провести компьютерный эксперимент по моделированию устойчивости наноструктурных гетеропереходов: политип 6H-SiC(0001)–GaN(0001), политип 6H-SiC(0001̅)–GaN(0001̅).
2. Рассчитать удельную энергию адгезии между нанопленкой нитрида галлия и подложкой карбида кремния.
3. Выполнить анализ результатов компьютерного эксперимента.

Теоретическое введение

Тонкие пленки GaN получают по технологии гетероэпитаксиального роста с рассогласованием кристаллических решеток. К настоящему времени GaN выращивался на Al₂O₃ (сапфире), SiC (карбиде кремния), Si (111), GaAs (111), ZnO, LiAlO₂, LiGaO₂, MgAl₂O₄, ScAlMgO₄. Среди всех этих подложек чаще всего используют сапфир и карбид кремния вследствие их высокой термической и химической стабильности, плоской морфологии поверхности и доступности. Для выращивания гексагональной фазы GaN наилучшей подложкой с точки зрения близости параметров решетки и коэффициента термического расширения является SiC.

SiC — это широкозонный материал, который может кристаллизоваться как в виде кубической, так и в виде гексагональной структуры и проявляет политипизм. Наиболее часто встречаются гексагональные политипы 6H и 4Н. Для роста пленок GaN используют либо поверхность SiC (0001), пленки GaN в этом случае являются Ga-полярными, либо поверхность SiC(0001̅) — пленки N-полярные [1].

Параметром устойчивости гетероперехода GaN–SiC является удельная энергия адгезии, характеризующая силу связи между нанопленкой GaN и подложки для выращивания нанопленки SiC [1].

Исследование устойчивости интерфейсов проводится методом наискорейшего спуска по поверхности потенциальной энергии связи (ППЭС) атомов нанопленки, в их конфигурационном пространстве. Расчёт удельной энергии адгезии на связь между нанопленкой GaN и соответствующим контактным соединением ведут по следующей формуле:

, (1)

где E_tot — общая энергия двух слоев, E_GaN — энергия, приходящаяся на слой нитрида галлия, E_SiC — энергия, приходящаяся на слой подложки, N_bond — число связей между слоями.

Порядок выполнения работы

1. Запустите программу NanoEvolver (Prototypical edition). При помощи команды Load structure… меню File загрузите структуру из файла GaN.hin. Загруженная структура изначально имеет пустой граф, поэтому пока не отображается в окне программы.

2. Вызовите окно Graph одноименной командой меню View. Для пары GaN задайте радиус обрезки, равный 4 a₀. Не забывайте нажать Enter в поле ввода Exact value после задания радиуса обрезки.

   

3. Зафиксируйте граф, вызвав команду Lock graph… из меню Edit.

4. Задайте параметры релаксационной процедуры в окне Settings (Edit → Set parameters):

   • Шаг Step = 0.1
   • Количество итераций Step count = 1000
   • Параметры потенциалов загрузите из файла GaN.txt, нажав кнопку Load parameters…

   

5. Проводите процедуру релаксации (Edit → Evolve) до тех пор, пока полная энергия связи не станет совершать незначительные флуктуации относительно постоянного стационарного значения.

6. Когда оптимизация будет завершена, сохраните отчет для полученной структуры (File → Save report as…).

7. Выполните аналогичный расчет для структур SiC, GaN+SiC(Si–N), GaN+SiC(Ga–C). При задании структуры связевого графа в окне Graph можно пользоваться таблицей радиусов обрезания:

   Структура	Пара	Rcut, а0
   GaN	N–Ga	4
   SiC	C–Si	4
   GaN+SiC(Si–N)	C–Si	4
   	N–Ga	4
   	N–Si	6
   GaN+SiC(Ga–C)	C–Si	4
   	N–Ga	4
   	C–Ga	7

Анализ полученных результатов

На основании отчетов программы рассчитайте удельную энергию адгезии по формуле (1). В случае первой структуры N_bond соответствует числу связей Si–N, в случае второй структуры — числу связей Ga–C.

Сравните полученные энергии и сделайте выводы.

Литература

1. Бахтизин Р.З. и др. Сканирующая туннельная микроскопия гетероэпитаксиального роста пленок III-нитридов. Успехи физических наук, 2004, Т.174, №4, С. 383–405.
2. Комаровских Н.В., Безносюк С.А., Фомина Л.В. Компьютерное моделирование устойчивости интерфейсов на основе нанопленок нитрида галлия. Фундаментальные проблемы современного материаловедения, 2009, Т.6, №3, С. 91–94.