Компьютерное моделирование устойчивости интерфейсов на основе нанопленок нитрида галлия с помощью модуля «Молекулярная наномеханика»
Содержание
- Цель и задачи лабораторной работы
- Теоретическое введение
- Порядок выполнения работы
- Анализ полученных результатов
- Литература
I. Цель и задачи лабораторной работы
Целью работы является моделирование устойчивости наноструктурного гетероперехода GaN–SiC.
Задачи:
- Провести компьютерный эксперимент по моделированию устойчивости наноструктурных гетеропереходов: политип 6H-SiC(0001)–GaN(0001), политип 6H-SiC(0001)–GaN(0001).
- Рассчитать удельную энергию адгезии между нанопленкой нитрида галлия и подложкой карбида кремния.
- Выполнить анализ результатов компьютерного эксперимента.
II. 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(0001) — 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)Eад = Eобщ − EGaN − ESiC / Nсв,
где Eобщ — общая энергия двух слоев, EGaN — энергия, приходящаяся на слой нитрида галлия, ESiC — энергия, приходящаяся на слой подложки, Nсв — число связей между слоями.
III. Порядок выполнения работы
-
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.
-
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.
Рис. 1. Задание структуры связевого графа GaN -
Зафиксируйте граф, вызвав команду Lock graph… из меню Edit.
-
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…
Рис. 2. Задание параметров расчетной процедуры -
Проводите процедуру релаксации (Edit → Evolve) до тех пор, пока полная энергия связи не станет совершать незначительные флуктуации относительно постоянного стационарного значения.
-
Когда оптимизация будет завершена, сохраните отчет для полученной структуры (File → Save report as…).
-
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
IV. Анализ полученных результатов
На основании отчетов программы рассчитайте удельную энергию адгезии по формуле (1). В случае первой структуры Nсв соответствует числу связей Si–N, в случае второй структуры — числу связей Ga–C.
Сравните полученные энергии и сделайте выводы.
V. Литература
- Бахтизин Р.З. и др. Сканирующая туннельная микроскопия гетероэпитаксиального роста пленок III-нитридов. Успехи физических наук, 2004, Т.174, №4, С. 383–405.
- 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.