Статья 9416

Название статьи

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ Ge1–xSnx  

Авторы

Васин Александр Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра информационных технологий в физических исследованиях, Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (Россия, г.Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23), vasin@phys.unn.ru

Индекс УДК

538.91:548.31

DOI 

10.21685/2072-3040-2016-4-9

Аннотация

Актуальность и цели. В литературе отмечается возможность создания на основе полупроводниковых твердых растворов элементов IV группы периодической системы интересных оптоэлектронных приборов с возможностью встраивания в кремниевую технологию. Сплав Ge1–xSnx наиболее перспективен для этого и интенсивно изучается экспериментально и теоретически. Целью данной работы является моделирование его структурных свойств: изменения кристаллической решетки, длин межатомных связей, углов между связями в зависимости от состава.
Материалы и методы. Исследуется твердый раствор Ge1–xSnx как в практически важном диапазоне доли олова 0 < x < 0,2, так и при теоретически интересном любом значении x. Моделируется кластер примерно из 4 тысяч атомов, который исследуется методом молекулярной динамики с применением потенциала Терсоффа.
Результаты. Получены зависимости параметра решетки, длин связей, углов между связями от состава. Проведено сравнение с экспериментальными и расчетными (ab initio) результатами. Обнаружены отклонение от закона Вегарда, существенно разный вклад связей Ge-Ge, Ge-Sn, Sn-Sn в искажение решетки при изменении состава сплава.
Выводы. Полученные результаты могут быть использованы при оценке упруго-напряженного состояния пленок GeSn, выращенных на различных подложках. Изучение сплава Ge1–xSnx методом молекулярной динамики позволяет проводить исследования на бóльших по размеру кластерах, чем при квантово-механических расчетах и получать сопоставимые результаты.  

Ключевые слова

твердые растворы, сплав германий-олово, метод молекулярной динамики, потенциал Терсоффа

Скачать статью в формате PDF
Список литературы

1. GeSn semiconductors for band-gap and lattice engineering / M. Bauer, J. Taraci, J. Tolle, A.V.G. Chizmeshya, S. Zollner, David J. Smith, J. Menendez, Changwu Hu, J. Kouvetakis // Appl. Phys. Lett. – 2002. – Vol. 81. – P. 2992–2994.
2. Kouvetakis, J. Tin-based group IV semiconductors: new platforms for opto – and microelectronics on silicon / J. Kouvetakis, J. Menendez, A. V. G. Chizmeshya // Ann. Rev. Mater. Res. – 2006. – Vol. 36. – P. 497 – 554.
3. Chibane, Y. Electronic structure of SnxGe1-x alloys for small Sn compositions: unusual structural and electronic properties / Y. Chibane, M. Ferhat // J. Appl. Phys. –2010. – Vol. 107. – P. 053512.
4. Pulikkotil, J. J. Structure of Sn1-xGex random alloys as obtained from the coherent potential approximation / J. J. Pulikkotil, A. Chroneos, U. Schwingenschlögl // J. Appl. Phys. – 2011. – Vol. 110. – P. 036105.
5. Gupta, S. Achieving direct band gap in germanium through integration of Sn alloying and external strain / S. Gupta, B. Magyari-Kope, Y. Nishi, K. C. Soraswat // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113. – P. 073707.
6. Lattice constant and substitutional composition of GeSn alloys grown by molecular beam epitaxy / N. Bhargava, M. Coppinger, J. Prakash Gupta, L. Wielunski, J. Kolodzey // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103. – P. 041908.
7. Ventura, C. I. Electronic structure of Ge1–x–ySixSny ternary alloys for multijunction solar cells / C. I. Ventura, J. D. Querales-Flores, J. D. Fuhr, R. A. Barrio // Prog. Photovolt: Res. Appl. – 2015. – Vol. 23. – P. 112–118.
8. Kasper, E. Germanium tin: silicon photonics toward the mid-infrared / E. Kasper, M. Kittler, M. Oehme, T. Arguirov // Photon. Res. – 2013. – Vol. 1. – P. 69–76.
9. Strain and composition effects on Raman vibrational modes of silicongermanium-tin ternary alloys / J.-H. Fournier-Lupien, S. Mukherjee, S. Wirths, E. Pippel, N. Hayazawa, G. Mussler, J. M. Hartmann, P. Desjardins, D. Buca, O. Moutanabbir // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 103. – P. 263103.
10. Shen, J. Ab initio calculation of the structure of the random alloys SnxGe1-x / J. Shen, J. Zi, X. Xie // Phys. Rev. B. – 1997. – Vol. 53. – P. 12084–12087.
11. Chizmeshya, A. V. G. Experimental and theoretical study of deviations from Vegard’s law in the SnxGe1-x system / A. V. G. Chizmeshya, M. R. Bauer, J. Kouvetakis // Chem. Mater. – 2003. – Vol. 15. – P. 2511-2519.
12. Electronic band structures of SnxGe1-x semiconductors: A first-principles density functional theory studi / M. H. Lee, P. L. Liu, Y. A. Hong, Y. T. Chou, J. Y. Hong, J. Y. Siao // J. Appl. Phys. – 2013. – Vol. 113. – P. 063517.
13. Relaxed and strained patterned germanium-tin structures: A Raman scattering study / R. Cheng, W. Wang, X. Gong, L. F. Sun, P. F. Guo, H. L. Hu, Z. X. Shen, G. Q. Han, Y. C. Yeo // ECS J. Solid State Science and Technology. – 2013. – Vol. 2. – P. 138–145.
14. The strain dependence of Ge1-xSnx (x=0.083) Raman shift / C. Chang, H. Li, T. P. Chen, W. K. Tseng, H. Chen, C. T. Ko, C. Y. Hsie, M. J. Che, G. Sun // Thin Solid Films. – 2015. – Vol. 593. – P. 40-43.
15. Vasin, A. S. Phonon modes and Raman scattering in SixGe1-x nanocristals: microscopic modeling / A. S. Vasin, O. V. Vikhrova, M. I. Vasilevskiy // Phys. Status Solidi (C). – 2013. – Vol. 10. – P. 701–704.
16. Vasin, A. S. Effects of alloy disorder and confinement on phonon modes and Raman scattering in SixGe1-x nanocristals: A microscopic modeling / A. S. Vasin, O. V. Vikhrova, M. I. Vasilevskiy // J. Appl. Phys.– 2014. – Vol. 115. – P. 143505.
17. Tersoff, J. Modeling solid-state chemistry: Interatomic potentials for multicomponent systems / J. Tersoff // Phys. Rev. B. – 1989. – Vol. 39, № 8. – P. 5567.
18. Powell, D. Elasticity, lattice dynamics and parameterization techniques for the Tersoff potential applied to elemental and type III-V semiconductors / D. Powell // The university of Sheffield, semiconductor materials and devices group, department of electronic and electrical engineering. – 2006. – P. 62.
19. Займан, Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем / Дж. Займан. – М. : Мир,1982. – 592 с.

 

Дата создания: 23.12.2016 15:17
Дата обновления: 12.04.2017 14:43