WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 5 Электронная энергетическая структура и рентгеновские спектры политипов нитрида бора © В.В. Илясов, Т.П. Жданова, И.Я. Никифоров Донской государственный технический университет, 344010 Ростов-на-Дону, Россия E-mail: victor.ilyasov@rost.ru (Поступила в Редакцию 4 июня 2002 г.) Электронная энергетическая структура политипов нитрида бора типа графита (h-BN), вюрцита (w-BN) и сфалерита (c-BN) рассчитана методом локального когерентного потенциала с использованием кластерной версии MT-приближения в рамках теории многократного рассеяния. Проведено сравнение особенностей электронной структуры 2H-, 4H- и 3C-политипов с рентгеновскими фотоэлектронными, эмиссионными и K-спектрами поглощения бора и азота и дана интерпретация их особенностей. Показано, что на кривой полной плотности состояний (TDOS) (в данных политипах нитрида бора) присутствует коротковолновый пик, который можно связать с формированием „внешней“ коллективизированной полосы, обусловленной состояниями электронов 2p-симметрии атомов бора и азота. Отмечено, что уменьшение ширины запрещенной полосы при переходе от вюрцита и сфалерита к гексагональному нитриду бора связано с изменением координационного числа компонентов, которое приводит к изменению энергетического положения дна зоны проводимости кристалла.

Проблемы анализа локального состава, структуры и тоэлектронная и K-эмиссионная спектроскопия (XES) физико-химических свойств поверхности твердых тел одновременно.

приобрели особое значение с развитием твердотель- Рентгеновские эмиссионные спектры бора и азота в ной электроники. Наибольший интерс представляет нитриде бора изучены в работах [6–9]. Эмиссионная изучение широкозонных полупроводниковых материа- полоса бора была получена [6] в третьем порядке лов (GaN, BN, GaAs, SiC и др.), которые широко ис- дифракции с разрешением по интервалу длин волн 0.1 и при аппаратурном искажении 0.6 eV. Эмиссионный пользуются при создании высокоэффективных устройств спектр азота в c-BN получен в четвертом порядке оптоэлектроники, в частности для коротковолнового дифракции при аппаратурном искажении 0.6 eV. Дандиапазона [1]. В настоящее время опубликованы рабоные исследования позволили оценить ширину валентты [1–3], в которых сообщается о возможности создания ной (15.3 eV) и запрещенной (4.5 eV) зон. Полученные гетероструктур типа GaN/SiC, h-BN/r-BN и т. п. Для K-полосы удалось разделить на - и -компоненты [9].

интерпретации оптических свойств полупроводниковых Показано влияние анизотропии гексагональной решетки материалов необходимо знание особенностей их элекна форму K-полос испускания. Экситон, проявляющийся тронной структуры. Наиболее изучены гексагональные в B K-полосе, имеет -характер, а двойной пик связан с кристаллографические модификации нитрида бора: графононами [9]. В работе [10] исследованы рентгеновские фитоподобная (h-BN) и вюрцитная (w-BN), а также эмиссионные K-спектры бора в гексагональном, вюрцитсфалеритная (c-BN). Экспериментальные рентгеновские ном и сфалеритном нитриде бора. Показано, что высофотоэлектронные спектры (XPS) валентных электронов коэнергетические сателлиты в B K-полосе обусловлены этих разновидностей нитрида бора, полученные в раборентгеновским рамановским рассеянием и коррелируют тах [4,5] с разрешением 0.9-1.2 eV, из-за малых сечений с координационным числом атомов бора в BN-струкфотоионизации s и p валентных s- и p-электронов турах.

атомов бора и азота, на наш взгляд, могут не описывать Особый интерес представляет электронная структура все особенности тонкой структуры плотности электронв окрестности XANES политипов BN. В K-спектрах ных состояний (DOS). Поскольку s (N)/p(N) =10.5, а поглощения (квантового выхода) бора как в гексаговеличина сечений фотоионизации валентных электронов нальной [8], так и в сфалеритной [11] модификациях азота больше, чем бора, в XPS-спектре отражается в нитрида бора наблюдаются селективные максимумы, основном распределение по энергиям s- и в некоторой которые могут связываться и с возникновением возстепени p-электронов азота. Так, интенсивный максимум бужденного состояния в процессе вырывания 1s-элекпри энергии 20 eV у дна валентной зоны обусловлен трона бора (рентгеновского экситона) [8], экситона главным образом 2s-электронами азота, а у потолка типа Ванье [11], и с процессом перехода 1s-электровалентной зоны, где локализованы p-электроны азота на на возникающие благодаря вакансиям свободные и бора, вклад первых в фотоэлектронный спектр зна- состояния [12]. Кроме того, остается без объяснечительно больше. Для излучения структуры валентной ния ряд важных деталей тонкой структуры K-спектров зоны твердых тел наиболее часто используется фо- поглощения бора и азота в 2H-BN. Наличие обшир778 В.В. Илясов, Т.П. Жданова, И.Я. Никифоров Таблица 1. Кристаллохимические характеристики и кристаллический потенциал соединения Тип решетки Величина Сфалерит Вюрцит Графит B N B N B N Параметр решетки, nm 0.3615 a = 0.2551, a = 0.2504, c/a = 1.633 c/a = 2.Координационное число 4 4 Число атомов в элементарной ячейке 8 4 Радиус MT-сферы, a.u. 1.449 1.449 1.327 1.327 1.367 1.Радиус WS-сферы, a.u. 2.121 2.121 1.898 1.898 1.849 1.Число валентных электронов в MT-сфере 2.97 5.19 3.076 4.864 2.844 4.Потенциал между MT-сферами, Ry 0.00985 -0.10626 -1.Плотность заряда между MT-сферами 0.07061 0.10770 0.Расстояние между атомами B-N, nm 0.1565331 0.1562156 0.0.2997413 0.2603627 0.B-B или N-N, nm 0.3993378 0.2991303 0.0.2556203 0.2551000 0.0.3615000 0.3607675 0.ных рентгеноспектральных данных, нуждающихся в ин- тической структуры 2H-, 4H- и 3C-политипов нитрида терпретации, послужило отправной точкой теоретиче- бора, выполненные в настоящей работе с использоваского изучения особенностей электронной структуры нием большого кластера (более 30 координационных политипов нитрида бора. Теоретические исследования сфер) в рамках теории многократного рассеяния, можно электронного энергетического спектра проводились с рассматривать в качестве хорошего приближения к использованием методов OPW [13–15], FLAPW [16], бесконечному кристаллу. Они позволяют дать новую OLCAO [17–19], LMTO[20,21], псевдопотенциала [2,22], интерпретацию природы тонкой структуры эмиссионных кластерной версии локального когерентного потенциала K-спектров бора в высокоэнергетической области ва(ПЛКП)[23–25]. Однако полного и согласованного опи- лентной полосы.

сания всей совокупности экспериментальных данных как для графитоподобного h-BN [2] и других политипов нит1. Метод и детали расчета рида бора, так и для более сложных гетероструктур [20] еще не получено.

Электронная структура рассматриваемых кристаллоКроме того, в настоящий момент отсутствует единая графических модификаций нитрида бора (табл. 1) изучатеория политипизма нитрида бора. Наиболее изучены лась в рамках одного приближения с использованием термодинамические факторы, учитывающие, как правиметода ПЛКП [23]. Эффективный кристаллический поло, зависимость политипизма как от макропараметров тенциал каждого политипа нитрида бора определялся (температуры и давления) [26], так и от стехиометрии как сумма кулоновского, обменного и маделунговского состава [27,28]. Несмотря на то что эти политипы потенциалов. Расчет кристаллического muffin-tin (MT) известны уже давно, вклад электронной подсистемы потенциала осуществлялся для равновесного состояния в их относительно высокую стабильность с позиций с параметрами решеток, приведенными в табл. 1.

особенностей их электронной энергетической структуры При этом построении учитывались вклады в DOS и химической связи не рассматривался.

В наших предыдущих работах [25] изучены особенно- от соседних атомов и кулоновский потенциал 33 координационных сфер. Обменный потенциал строился сти электронной структуры 4H- и 3C-политипов нитрида бора и установлено сходство и различие их электронных в X-приближении Слейтера с обменной поправкой структур во взаимосвязи с рентгеновскими спектрами. = 2/3. При выборе расчетной элементарной ячейОднако не удалось дать интерпретацию всех особен- ки принималось во внимание то обстоятельство, что ностей эмиссионной K-полосы бора в рассмотренных кристаллическая структура вюрцита представляет сополитипах нитрида бора, что, возможно, связано с мало- бой четыре встроенные элементарные гексагональные стью использованного в [25] расчетного кластера (пять ячейки, для которых отношение постоянных параметров координационных сфер). Расчеты электронной энерге- решетки принималось равным c/a = 1.633 вместо 1.Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Электронная энергетическая структура и рентгеновские спектры политипов нитрида бора аналогично [25]. Отмеченное упрощение обусловлено 2. Результаты расчета и обсуждение тем, что в этом случае две ближайшие координационные сферы с числом атомов 3 и 1 соответственно Расчет электронного энергетического спектра 2H-, объединяются в одну, что значительно упрощает рас4H- и 3C-политипов нитрида бора и сопоставление с четы, не меняя существенно их точности. Структура экспериментальными рентгеновскими фотоэлектронныграфитоподобного нитрида бора состоит из системы ми, эмиссионными спектрами валентных электронов и плоских параллельных слоев, располагающихся точно K-спектрами поглощения бора и азота в данных полидруг над другом, причем атомы бора и азота чередуются типах показали, что их спектр представляет собой три в направлении оси c. Слои построены из правильных гексагонов типа бензольных колец с углом 120 между связями таким образом, что каждый атом одного сорта окружен тремя ближайшими соседями другого сорта.

Элементарная ячейка выбиралась в виде гексагональной призмы, содержащей четыре атома (2B и 2N) с коор динатами B1= a (0, 0, 0), B2 = a (0.5, 3/6, c/2a), N1 = a (0.5, 3/6, 0), N2 = a (0.5, 3/2, c/2a). Потенциал Маделунга вычислен по методу Эвальда и учитывает электростатический вклад различных подрешеток в кристаллический потенциал BN:

11 = 22 = -4.5849q/a, 12 = 21 = -0.80194q/a — для сфалерита, 11 = 22 = -3.242q/a, 12 = 21 = -0.91568q/a — для вюрцита, 11 = 22 = -3.701q/a, 12 = 21 = -0.3839q/a — для гексагонального (ii — потенциал, создаваемый атомом бора (i = 1) или азота (i = 2) на атомах собственной подрешетки, i j — потенциал, создаваемый атомами i-й подрешетки на атомах j-й подрешетки).

Построенные кристаллические MT-потенциалы использовались при решении радиального уравнения Шредингера для l = 0, 1 (d-состояния для легких элементов B и N не учитывались) в интервале энергий от 0.до 2.5 Ry с постоянным шагом 0.02 Ry. Локальные парциальные плотности состояний (PDOS) бора и азота в нитриде бора вычислялись в случае c-BN для кластера, состоящего из 250 атомов в 30 координационных сферах, в случае w-BN для кластера из 253 атомов в 31 координационной сфере, а в случае гексагонального графитоподобного нитрида бора для кластера из 251 атома в 33 координационных сферах, rws A, Im Tr TL,L00(E) E nA(E) = RA(r, E)r dr, l l A Im tl (E) где l — орбитальное квантовое число, RA(r) —радиl A, альные волновые функции атома сорта A, Tlm,00m —матl1 ричный элемент оператора рассеяния. Полная плотность состояний (TDOS) электронов на элементарную ячейку Рис. 1. Рентгеновские фотоэлектронные спектры (XPS) [23] и для одной проекции спина определялась как сумма ло- плотности валентных электронов (TDOS): результаты настоякальных плотностей состояний (LDOS) аналогично [25]. щих расчетов и расчетов, проведенных методом OLCAO [19].

Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 780 В.В. Илясов, Т.П. Жданова, И.Я. Никифоров группы полос, разделенных широкими энергетическими Таблица 2. Сравнение экспериментальных и теоретических ширин подзон валентной полосы и запрещенной зоны кристалщелями. На рис. 1 приведено сравнение полной плотла BN (в eV) ности заполненных и свободных состояний электронов для данных политипов, полученной нами, с расчетом ЛитературOLCAO [19], а также с XPS [4]. Здесь также представФаза VB II VB IVB Eg ная ссылка лены экспериментальные K-спектры поглощения бора.

Обращает на себя внимание наличие широких энергеc-BN [6] 20.2 5.2 16.1 4.тических щелей между вершиной валентной полосы и 22.0 - 15.4 6.- - 13.5 6.дном зоны проводимости в h-BN (3.4 eV), c-BN (4.5 eV), [30] 21.1 6.0 11.8 w-BN (5.2 eV), что указывает на их полупроводнико[13] 23.4 6.1 11.8 3.вый характер. Интересно отметить, что кристаллизация [19] 21.1 6.92 10.94 5.нитридов, например NbN, в простой гексагональной [23] 23.3 8.6 12.0 5.структуре (типа WC) может приводить к формированию Наст. раб. - - 14.5 5.полуметаллических свойств [29]. Структура валентной w-BN [19] 21.0 6.28 11.76 5.полосы (VB), состоящей из двух подзон, удовлетвориНаст. раб. - - 15.9 5.тельно отображает (с учетом представлений о наличии особенностей Ван Хова) особенности рентгеновских фоh-BN [6] 19.4 4.6 14.0 3.тоэлектронных спектров политипов нитрида бора. Ниж[14] 29.0 4.1 15.5 5.няя полоса (II VB) образована в основном 2s-состояния- [2] 26.6 4.0 13.2 5.[19] 18.8 4.02 10.40 4.ми бора, что является общим признаком отмеченных поНаст. раб. - - 11.1 3.литипов нитридов бора, ниобия [29] и других элементов.

Энергетическое положение подзоны II VB соответствует Данные эксперимента.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.