Релаксация упругой энергии при протекании химической реакции с монокристаллическим кремнием в процессе согласованного замещения атомов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Дано микроскопическое описание химического превращения кристалла кремния в кристалл карбида кремния в результате реакции с газом монооксида углерода через поверхность (111). Для этого использован метод функционала плотности в спин-поляризованном приближении PBE. Методом NEB установлены все промежуточные (адсорбционные) состояния и единственное переходное состояние. Показано, что переходное состояние представляет собой треугольник Si–O–C со связями длиной 1.94, 1.24, 2.29 Å. Рассчитан энергетический профиль данного химического превращения. Обнаружено, что оборванные связи приводят в процессе превращения к появлению как электрических, так и магнитных полей. Установлено, что релаксация упругой энергии обеспечивает эффективное упорядочивание растущего кристалла вследствие ослабления связей у нужных атомов. Именно поэтому поверхность (111) является оптимальной для роста карбида кремния данным методом для полупроводниковых приложений.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Кукушкин

Институт проблем машиноведения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

А. В. Осипов

Институт проблем машиноведения РАН

Email: sergey.a.kukushkin@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Ferro G. // Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2015. V. 40. № 1. P. 56. https://doi.org/10.1080/10408436.2014.940440
  2. Severino A., Locke C., Anzalone R. et al. // ECS Trans. 2011. V. 35. № 6. P. 99. https://doi.org/10.1149/1.3570851
  3. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. № 2. https://doi.org/10.1063/1.4773343
  4. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // Russ. J. Gen. Chem. 2022. V. 92. № 4. P. 584. https://doi.org/10.1134/S1070363222040028
  5. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // Phys. Solid State. 2016. V. 58. № 4. P. 747. https://doi.org/10.1134/S1063783416040120
  6. Kukushkin S.A., Osipov A.V., Feoktistov N.A. // Phys. Solid State. 2019. V. 61. № 3. P. 456. https://doi.org/10.1134/S1063783419030193
  7. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // Materials (Basel). 2022. V. 15. № 13. P. 4653. https://doi.org/10.3390/ma15134653
  8. Kukushkin S.A., Osipov A.V., Soshnikov I.P. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2017. V. 52. № 1–2. P. 29.
  9. Koryakin A.A., Kukushkin S.A., Osipov A.V. et al. // Materials (Basel). 2022. V. 15. № 18. P. 6202. https://doi.org/10.3390/ma15186202
  10. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // Mech. Solids. 2013. V. 48. № 2. P. 216. https://doi.org/10.3103/S0025654413020143
  11. Kukushkin S.A., Osipov A.V., Telyatnik R.S. // Phys. Solid State. 2016. V. 58. № 5. P. 971. https://doi.org/10.1134/S1063783416050140
  12. Ермакова Е.Н., Максимовский Е.А., Юшина И.В. и др. // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 2. С. 256. https://doi.org/10.31857/S0044457X22601547
  13. Воронцов Е.С. // Успехи химии. 1965. Т. 34. № 11. С. 2020.
  14. Dovesi R., Civalleri B., Roetti C. et al. Ab Initio Quantum Simulation in Solid State Chemistry in Rev. Comput. // ChemInform. V. 36. № 48. P. 1. https://doi.org/10.1002/0471720895.ch1
  15. Tuan Hung N., Nugraha A.R.T., Saito R. Quantum ESPRESSO Course for Solid State Physics. N.Y.: Jenny Stanford Publishing, 2022. 372 p. https://doi.org/10.1201/9781003290964
  16. Lee J.G. Computational Materials Science: An Introduction, Boca Raton: CRC Press, 2016. 376 p. https://doi.org/10.1201/9781315368429
  17. Сангвал К. Травление кристаллов: Теория. Эксперимент. Применение: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 492 с.
  18. Kukushkin S., Osipov A., Redkov A. // Adv. Struct. Mater. 2022. V. 164. P. 335. https://doi.org/10.1007/978-3-030-93076-9_18
  19. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2014. V. 47. № 31. https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/31/313001
  20. Kukushkin S.A., Osipov A.V. // Materials (Basel). 2021. V. 14. № 1. P. 78. https://doi.org/10.3390/ma14010078
  21. Henkelman G., Uberuaga B.P., Jónsson H. // J. Chem. Phys. 2000. V. 113. № 22. P. 9901. https://doi.org/10.1063/1.1329672
  22. Tolédano P., Dmitriev V. Reconstructive Phase Transitions, World Scientific, 1996. 416 p. https://doi.org/10.1142/2848

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Исследуемая суперъячейка с периодическими граничными условиями, описывающая поверхность Si(111).

Скачать (161KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Исходные реагенты R и конечные продукты реакции P после оптимизации геометрии.

Скачать (176KB)
Метаданные
4. Рис. 3. “Предкарбидная” структура поверхности Si после замещения половины возможных атомов верхнего слоя на атомы C.

Скачать (191KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зоны положительного заряда в “предкарбидной” структуре кремния с плотностью >0.6 e/Å3.

Скачать (210KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Разница в плотности электронов со спином вверх и спином вниз в “предкарбидной” структуре кремния. Граница области светло-синего цвета соответствует разности 0.03 e/Å3 (а), граница области темно-синего цвета – разности –0.01 e/Å3 (б).

Скачать (165KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Энергетический профиль реакции замещения (1) на поверхности (111). R – реагенты, P – продукты реакции, TS – переходное состояние, A1 и A2 – состояния адсорбции молекул CO и SiO на поверхности соответственно.

Скачать (71KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Адсорбционные состояния A1 и A2 молекул CO и SiO на поверхности (111).

Скачать (148KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Переходное состояние реакции (1) на поверхности (111).

Скачать (143KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024