Una simulación teórica de las respuestas a la radiación de la superrejilla de Si, Ge y Si / Ge a la irradiación de baja energía

Resumen

En este estudio, se investigan las respuestas de radiación de baja energía de la superrejilla de Si, Ge y Si / Ge mediante un método de dinámica molecular ab initio y se exploran los orígenes de sus diferentes comportamientos de radiación. Se encuentra que la resistencia a la radiación de los átomos de Ge que se encuentran alrededor de la interfaz de la superrejilla de Si / Ge es comparable a la del Ge a granel, mientras que los átomos de Si alrededor de la interfaz son más difíciles de desplazar que el Si a granel, mostrando una mayor tolerancia a la radiación como en comparación con el Si a granel. Los mecanismos para la generación de defectos en las estructuras de la superrejilla y el volumen muestran un carácter algo diferente, y los defectos asociados en la superrejilla son más complejos. Los cálculos de formación y migración de defectos muestran que en la estructura de superrejilla, los defectos puntuales son más difíciles de formar y las vacantes son menos móviles. La mayor tolerancia a la radiación de la superrejilla Si / Ge se beneficiará de sus aplicaciones como dispositivos electrónicos y optoelectrónicos en entornos de radiación.

Antecedentes

Durante las últimas décadas, la superrejilla Si / Ge (SL) ha atraído mucha atención en la investigación de semiconductores debido a su contribución potencial al desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y optoelectrónicos [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Por ejemplo, el estudio de la fotoconductividad de Si / Ge SL es de notable importancia para los fotodiodos como emisor y receptor para una comunicación óptica rápida [5]. En sus aplicaciones como el componente electrónico espacial, el componente microelectrónico, la célula solar y la electrónica espacial [1, 4, 6], las propiedades ópticas y electrónicas de Si / Ge SL pueden verse alteradas debido al bombardeo de alta iones de energía del entorno espacial, lo que da como resultado una degradación del rendimiento de los dispositivos electrónicos. Por lo tanto, es necesario investigar las respuestas a la radiación de este material semiconductor en condiciones de trabajo extremas.

Recientemente, muchos investigadores han estudiado los efectos del daño por radiación de la superrejilla de Si / Ge [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Sobolev y col. investigó las influencias de la irradiación de electrones en la fotoluminiscencia (PL) de Si / Ge SL que contiene monocapa de Ge puro, y se encontró una mayor resistencia a la radiación de la estructura SL en comparación con el silicio a granel [12]. Fonseca y col. irradió Si / Ge SL con puntos cuánticos (QD) Ge incrustados empleando la irradiación de protones de 2,0 MeV y encontró una extraordinaria resistencia a la radiación alta de la estructura QD-in-SL [13]. Leitão et al. Obtuvieron resultados similares, quienes informaron que los pozos cuánticos de Ge (QW) depositados en una estructura de diodo que contenía una estructura multicapa de Si / Ge eran más resistentes a la irradiación de protones en comparación con los Ge QW individuales [14]. Como materiales termoeléctricos prometedores, la característica termoeléctrica del sistema Si / Ge también puede verse afectada por el entorno de radiación [11, 15]. Zheng y col. irradió las múltiples capas periódicas de Si _{1 - x} Ge _x / Si empleando iones Si de 5 MeV, y encontraron que la figura termoeléctrica de mérito aumenta con el aumento de la fluencia de los iones Si [11]. Los defectos y el desorden estructural reducen la conductividad térmica del plano transversal al absorber y disipar el fonón a lo largo de la red, y la densidad electrónica de estados en la minibanda de la estructura QD aumenta la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck, todos los cuales contribuyen al aumento de la figura. de mérito [11].

En teoría, tanto Sayed como Windl investigaron los desplazamientos atómicos del Si masivo empleando el método clásico de dinámica molecular (MD) [17, 18]. Descubrieron que las energías de desplazamiento de umbral (E _d s) dependen de la dirección de respuesta y los estados dañados son principalmente defectos del par de Frenkel (FP) [17, 18]. Caturla y col. estudiaron los efectos de la masa de iones y la energía sobre el daño por radiación del Si a granel empleando el método MD [19]. Informaron que la producción de amorfización, así como los defectos puntuales aislados y los pequeños cúmulos, tienen una fuerte dependencia de la masa iónica y una relación débil con la energía iónica [19]. Holmström y col. calculó la E _d s para germanio utilizando el método MD y encontró que los defectos estables son defectos FP [20]. Shaw y col. aplicó un método ab initio para estudiar los efectos de los defectos de antimonio y germanio en la estructura electrónica de heteroestructuras de Si / Ge y descubrió que estos defectos interactúan con las interfaces Si / Ge, lo que resulta en resonancias localizadas relacionadas con la interfaz y grandes perturbaciones locales en la electrónica. estructura [21]. A pesar de estas investigaciones mencionadas, hasta el momento no se han reportado en la literatura simulaciones teóricas del proceso dinámico de daño por radiación de Si / Ge SL. Todavía falta una comprensión a nivel atómico de la evolución microestructural y el mecanismo subyacente para la generación de defectos en las superredes de semiconductores.

Se ha demostrado que el método de dinámica molecular ab initio (AIMD) es una herramienta importante para arrojar luz sobre los procesos de daño por radiación y, de hecho, ha tenido éxito en la simulación de los eventos de retroceso de una serie de semiconductores y materiales cerámicos [22,23,24, 25,26,27]. En comparación con el método MD clásico, los potenciales interatómicos se obtienen a partir de cálculos de estructura electrónica en lugar de un ajuste empírico de resultados experimentales. En consecuencia, muchos parámetros físicos como E _d s pueden determinarse con precisión ab initio. En este estudio, se emplea el método AIMD para comparar los comportamientos de respuesta de Si, Ge y Si / Ge SL a granel bajo irradiación de baja energía. Se han determinado las energías de desplazamiento umbral y se han proporcionado la distribución de defectos y la ruta para la generación de defectos. También se explora el posible origen de la discrepancia en la tolerancia a la radiación entre Si (Ge) y Si / Ge SL a granel. Los resultados presentados proporcionan una visión fundamental del mecanismo microscópico de los eventos de desplazamiento en Si, Ge y Si / Ge SL a granel y avanzan en la comprensión de las respuestas a la radiación de estos materiales en un entorno de radiación.

Métodos

Los eventos de desplazamiento de baja energía de Si, Ge y Si / Ge SL a granel son simulados por el código de la Iniciativa Española de Simulaciones Electrónicas con Miles de Átomos (SIESTA). Los pseudopotenciales de Troullier-Matrins que conservan la norma [28] se emplean para determinar la interacción entre iones y electrones, y el potencial de correlación de intercambio se describe mediante la aproximación de densidad local (LDA) en la parametrización de Ceperly-Alder [29]. Las funciones de onda de valencia se expanden mediante un conjunto de bases de orbitales atómicos localizados, y se emplean conjuntos de bases de ζ simples más orbitales de polarización (SZP), con un muestreo de punto K de 1 × 1 × 1 en la zona de Brillouin y un corte. de energía de 60 Ry. En el presente estudio, un Si ₂ / Ge ₂ Se considera SL, que consta de dos capas de Si alternadas con dos capas de Ge y un total de 288 átomos. La Figura 1 ilustra la configuración geométrica de Si y Si / Ge SL a granel. Se selecciona un átomo específico como el átomo de golpe primario (PKA), y se le da una energía cinética para iniciar un evento de retroceso. Si el PKA vuelve a su posición original al final del evento de desplazamiento, la simulación se reinicia con una energía de retroceso más alta con un incremento de energía de 5 eV. Una vez que la PKA se desplaza permanentemente de su sitio de celosía, se realizan ejecuciones adicionales para mejorar la precisión a 0,5 eV. Para cada tipo de átomo, se tienen en cuenta cuatro y cinco direcciones de incidencia principales para Si (Ge) y Si / Ge SL a granel, respectivamente. Las simulaciones se realizan con un conjunto NVE y la duración máxima de cada ejecución es de 1,2 ps para evitar la inestabilidad del sistema.

Vista esquemática de estructuras geométricas de a Si y b a granel Superrejilla Si / Ge. Las esferas azul y verde representan los átomos de Si y Ge, respectivamente

Resultados y discusión

Los eventos de desplazamiento en silicio y germanio a granel

Se determina que la constante de red del Si a granel es 5,50 Å, lo que concuerda bien con el resultado teórico de 5,48 Å [30] y el resultado experimental de 5,43 Å [31]. En comparación con el Si a granel, la constante de celosía del Ge a granel es mayor, es decir, 5,71 Å, lo que concuerda con el resultado calculado de 5,65 Å [30] y el valor experimental de 5,77 Å [31]. Nuestras energías de desplazamiento umbral calculadas para Si y Ge a granel se resumen en la Tabla 1, junto con los defectos asociados después de los eventos de desplazamiento. Las configuraciones para los estados finales de daño de los retrocesos de Si y Ge se representan en las Figs. 2 y 3, respectivamente.

un - d Vista esquemática de estructuras geométricas de daño Si después de eventos de retroceso. Las esferas verde y roja representan la vacante y los defectos intersticiales, respectivamente. V _Si :vacante de silicio; Si _int :intersticial de silicio

un - d Vista esquemática de estructuras geométricas de daño Ge después de eventos de retroceso. Las esferas roja y azul representan la vacante y los defectos intersticiales, respectivamente. V _Ge :vacante de germanio; Ge _int :intersticial de germanio

Para Si a granel, el E _d los valores son ligeramente más pequeños que los resultados experimentales de 21 eV para [001] [32], ~ 47,6 eV para [110] [33] y ~ 12,9 eV para [111] [34] direcciones, y tanto el experimento como nuestros cálculos revelan que los estados finales dañados son un defecto de par de Frenkel (FP). También se observa que E _d Los valores en el presente estudio son generalmente comparables con los resultados de MD informados por Windl et al. [18], excepto en el caso de [110], para el cual nuestro valor calculado de 47 eV es mucho mayor que el resultado MD de 24 eV. La simulación previa de AIMD de interacciones ion-sólido en SiC reveló que el evento de desplazamiento es en realidad un proceso de transferencia de carga y la transferencia de carga hacia y desde los átomos en retroceso puede alterar las barreras de energía y la dinámica para la formación de defectos estables [35]. Los valores más bajos de E _d encontrados por AIMD en comparación con los determinados por MD clásico puede deberse al hecho de que la transferencia de carga que ocurre durante los eventos de retroceso se tiene en cuenta por el método AIMD, mientras que en la simulación MD clásica, la carga de los átomos es fija. En el estudio de Windl et al., La energía cinética se transfiere a la PKA para generar una vacante de silicio (V _Si ) y un intersticial de silicio (Si _int ) defectos [18]. Por el contrario, en nuestro estudio, los defectos asociados para el evento de desplazamiento Si [110] contienen dos V _Si y dos Si _int defectos, resultando en energías más altas para la formación de los estados dañados. El E _d los valores para Si [111] y Si \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) están muy cerca uno del otro, es decir, 9.5 y 10 eV, respectivamente. En ambos casos, los defectos creados son V _Si y Si _int (ver Fig. 2c, d), mientras que los mecanismos de generación de defectos muestran un carácter diferente. En el caso de Si [111], el Si PKA se mueve a lo largo de la dirección \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \) debido a las interacciones repulsivas y choca con su átomo de Si vecino. El Si PKA luego se dispersa para ocupar un sitio intersticial (Si _int ), y el Si reemplazado regresa al sitio de la red de PKA. Los defectos asociados son un V _Si y un Si _int defectos. En cuanto a Si \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), el evento de desplazamiento es relativamente más simple, es decir, el Si PKA se mueve 4.69 Å lejos de su sitio de celosía a formar un Si _int defecto. En los casos de Si [001] y Si [110], el E _d Se determina que s son 20 y 47 eV, respectivamente, lo que indica que los átomos de Si son más difíciles de desplazar a lo largo de la dirección [110]. Los estados finales de daño para Si [001] y Si [110] son algo diferentes. En el caso de Si [001], la PKA recibe energía cinética y se mueve a lo largo de la dirección [001] para chocar con sus átomos vecinos. El átomo de Si reemplazado sigue moviéndose y ocupa un sitio intersticial, como se muestra en la Fig. 2a. En cuanto a Si [110], la PKA se dispersa hacia la dirección \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \) debido a las interacciones repulsivas entre la PKA y sus átomos vecinos y golpea un átomo de Si vecino (Si1) . Entonces, el Si PKA rebota hacia la dirección [111] para reemplazar otro átomo de Si (Si2), y el átomo de Si2 ocupa un sitio intersticial al final. El átomo de Si1 recibe suficiente energía para moverse a lo largo de la dirección [110] y reemplaza a su átomo de Si vecino (Si3), que forma un defecto intersticial. Al final, los defectos asociados son dos V _Si y dos Si _int defectos, como se muestra en la Fig. 2b.

Para Ge a granel, los valores de E _d están de acuerdo con el valor experimental de ~ 18 eV [36] y el valor teórico de 18,5 eV [20] para la dirección [001]. Se observa que el valor actual de 9,5 eV es comparable al resultado de Holmström de 12,5 eV [20] para la dirección [111], que son menores que el valor experimental de ~ 15 eV [36]. Para Ge [111] y Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), la E determinada _d los valores son tan pequeños como 9,5 eV, lo que indica que los átomos de Ge pueden desplazarse fácilmente a lo largo de estas dos direcciones. En ambos casos, los defectos asociados son la vacancia de germanio y el intersticial de germanio (ver Fig. 3c, d). Para Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), el Ge PKA no sigue una ruta recta, pero es fuertemente desviado por uno de sus vecinos más cercanos para ocupar un sitio intersticial (Ge _int ). Por el contrario, en el caso de Ge [111], el Ge PKA se mueve 4,92 Å a lo largo de la dirección [111] para formar un defecto intersticial (Ge _int ). En comparación con el E _d de Ge [001], el valor de Ge [110] es 10 eV mayor, lo que indica que el átomo de Ge es más difícil de desplazar a lo largo de la dirección [110]. Aunque los defectos asociados para Ge [001] y Ge [110] son similares, los mecanismos para la generación de defectos son algo diferentes. El Ge PKA recibe energía cinética y se mueve en la dirección [001] para chocar con sus átomos vecinos. El átomo de Ge reemplazado sigue moviéndose y ocupa un sitio intersticial, como se muestra en la Fig. 3a. En cuanto a Ge [110], el retroceso de Ge choca con su primer átomo de Ge vecino (Ge1) a lo largo de la dirección [110] y rebota a lo largo de la dirección [111], lo que resulta en la formación de Ge _int . El átomo de Ge1 abandona su sitio de red y reemplaza a su átomo de Ge vecino (Ge2). Posteriormente, el átomo de Ge2 regresa al sitio de la red de Ge1 y, finalmente, solo un V _Ge y un Ge _int se forman defectos, como se muestra en la Fig. 3b. Estos resultados sugieren que a granel Si y Ge, el E _d s dependen en gran medida de la dirección cristalográfica, y los átomos son más difíciles de desplazar a lo largo de la dirección [110]. Los estados finales de daño por radiación en Si y Ge a granel son principalmente defectos de FP, es decir, defectos de vacantes e intersticiales.

Los eventos de desplazamiento en la superrejilla Si / Ge

En este estudio, los eventos de desplazamiento de Si ₂ / Ge ₂ Se considera SL, que contiene dos capas de Si alternando con dos capas de Ge (ver Fig. 1b). Los átomos de Si y Ge adyacentes a la interfaz Si / Ge se seleccionan como PKA. El E _d s para retrocesos Si y Ge y los defectos asociados se enumeran en la Tabla 2. Las configuraciones de defectos para retrocesos Si y Ge se ilustran en las Figs. 4 y 5, respectivamente. Se observa que en el caso de Si [111], no se crean defectos incluso a energías de hasta 100 eV. Debido a las restricciones computacionales, no realizamos más simulaciones de eventos de retroceso a energías superiores a 100 eV, y la E exacta _d El valor de Si [111] no está determinado.

un - d Vista esquemática de estructuras geométricas de superrejilla Si / Ge dañada después de eventos de retroceso de Si. Las esferas azul y verde representan los átomos de Si y Ge, respectivamente. V _X : X vacante ( X =Si o Ge); X _int : X intersticial ( X =Si o Ge); X _Y : X ocupando la Y sitio de celosía ( X y Y =Si o Ge). Las esferas violeta y roja representan la vacante y los defectos intersticiales, respectivamente

un - e Vista esquemática de las estructuras geométricas de la superrejilla Si / Ge dañada después de los eventos de retroceso de Ge. Las esferas azul y verde representan los átomos de Si y Ge, respectivamente. V _X : X vacante ( X =Si o Ge); X _int : X intersticial ( X =Si o Ge); X _Y : X ocupando la Y sitio de celosía ( X y Y =Si o Ge). Las esferas violeta y roja representan la vacante y los defectos intersticiales, respectivamente

En la estructura Si / Ge SL, el Si PKA se desplaza fácilmente a lo largo de la dirección \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), como lo indica la pequeño E _d valor de 10 eV. La vía para la generación de defectos es muy simple, es decir, el Si PKA se aleja 4,61 Å de su sitio de celosía y forma un Si _int defecto. Para Si [001] y Si \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \), la E _d s se determinan en 46,5 y 42,5 eV, respectivamente, y los defectos dañados son diferentes a lo esperado. En el caso de Si [001], el Si PKA se mueve a lo largo de la dirección [001] para reemplazar su átomo de Ge vecino (Si _Ge ), y el átomo de Ge reemplazado choca con su átomo de Si adyacente y ocupa su sitio de red, formando un Ge _Si defecto antisitio. El átomo de Si reemplazado recibe suficiente energía y reemplaza a otro átomo de Ge (Si _Ge ), que finalmente ocupa un sitio intersticial. Eventualmente, los defectos asociados son un V _Si , un Ge _int y tres defectos antisitio. En cuanto a Si \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \), dos átomos de Ge vecinos y un átomo de Si vecino también están involucrados en el evento de desplazamiento, y los estados dañados contienen dos vacantes, dos intersticiales y dos defectos antisitio, como se muestra en la Fig. 4b. En el caso de Si [110], el átomo de Si se mueve para golpear su átomo de Si vecino y se dispersa hacia la dirección \ (\ left [11 \ overline {1} \ right] \). Luego, el Si PKA reemplaza un átomo de Ge vecino, que al final ocupa un sitio intersticial. Después de los eventos de desplazamiento, los defectos asociados contienen un V _Si , un Si _Ge, y un Ge _int defectos. En comparación con el Si a granel, los átomos de Si en Si / Ge SL son generalmente más difíciles de ser desplazados excepto en el caso de [110] y los mecanismos de generación de defectos son más complejos, lo que indica que el Si y Si / Ge SL a granel muestran diferentes respuestas de radiación a la irradiación. Nuestros resultados son consistentes con los experimentos llevados a cabo por Fonseca et al. y Leitão et al. [13, 14], quienes también encontraron que la resistencia a la radiación de la estructura SL fue mejorada en comparación con el silicio a granel.

Para los retrocesos de Ge en Si / Ge SL, los átomos de Ge se pueden desplazar fácilmente a lo largo de las direcciones [111] y \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), que son similares a los eventos de retroceso Ge a granel Ge. Aunque los estados finales de daño por radiación para Ge [111] y Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) son muy similares, es decir, defectos de Ge FP, los mecanismos de generación de defectos son diferentes. En el caso de Ge [111], el Ge PKA se aleja 4,77 Å de su sitio de celosía y forma un Ge _int defecto. Para Ge \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \), el átomo de Ge se mueve a lo largo de \ (\ left [\ overline {1} \ overline {1} \ overline {1} \ right] \) dirección para reemplazar su átomo de Ge vecino. El átomo de Ge colisionado se mueve en esta dirección y ocupa un sitio intersticial al final. Se observa que la E _d Los valores de 16 eV para Ge [001] y 17.5 eV para Ge \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \) son comparables con el valor de 18 eV para Ge [001] en el Ge a granel, mientras que el valor asociado los defectos muestran un carácter diferente. En el caso de Ge [001], el Ge PKA recibe suficiente energía pero se dispersa a lo largo de la dirección [111] para reemplazar su átomo de Si vecino, formando un Ge _Si defecto antisitio. Luego, el átomo de Si reemplazado ocupa el sitio de la red de Ge PKA y forma un defecto antisitio (Si _Ge ). En el caso de Ge \ (\ left [00 \ overline {1} \ right] \), el Ge PKA se aleja 5.63 Å para reemplazar su átomo de Si vecino. El átomo de Si se mueve en esta dirección y forma un Si _int defecto. En comparación con el Ge [110] a granel, el E _d para Ge [110] en Si / Ge SL es 8.5 eV más pequeño, y los defectos asociados son más complejos, como lo indica una V _Ge , un Ge _Si y un Si _int defectos. Comparando los eventos de retroceso de Ge a granel Ge y SL, encontramos que los átomos de Ge en Si / Ge SL son más resistentes a lo largo de la dirección [110]. Para otros eventos de desplazamiento, el E _d Los s son generalmente comparables con los de los estados a granel. Sin embargo, los estados finales del daño por radiación en el Ge y Si / Ge SL a granel son diferentes, y se crean algunos defectos antisitio en la estructura de Si / Ge SL. Estos resultados sugieren que los retrocesos de Ge en la estructura de Si / Ge SL muestran diferentes respuestas de radiación a la irradiación. Al comparar los retrocesos de Si y Ge en la estructura SL, encontramos que los eventos de desplazamiento de los átomos de Si se ven mucho más afectados que los de Ge, es decir, el E _d Los s para los átomos de Si en la estructura SL generalmente aumentan, lo que puede conducir a una mayor resistencia a la radiación de Si / Ge SL. Sobolev y col. han descubierto que los SL de Si / Ge muestran una dureza de radiación extraordinariamente alta en comparación con el Si a granel [12], lo que es consistente con nuestros resultados.

La energía de formación de defectos y la barrera de migración en la superrejilla de Si, Ge y Si / Ge a granel

En el Si y Ge a granel, los estados dañados son principalmente defectos intersticiales y de vacancia. En cuanto a Si / Ge SL, los defectos asociados contienen defectos de vacante, intersticiales y antisitio y los mecanismos de generación de defectos son generalmente más complejos. La discrepancia en la resistencia a la formación de defectos entre los materiales componentes a granel y Si / Ge SL puede resultar en sus diferentes tolerancias de radiación. Para investigar más a fondo el origen de las diferentes respuestas a la radiación de estos materiales semiconductores, calculamos las energías de formación de vacantes, defectos intersticiales y antisitio en estados de masa y estructuras SL y la barrera de migración de los defectos más favorables empleando el método de teoría funcional de densidad. Los cálculos se basan en una supercélula que consta de 64 átomos, con un muestreo de 6 × 6 × 6 k puntos en el espacio real y una energía de corte de 500 eV.

Las energías de formación de defectos en Si, Ge y Si / Ge SL a granel se enumeran en la Tabla 3, junto con otros resultados calculados. A granel Si, las energías de formación para V _Si , Si _int , y los defectos de Si FP se calculan en 3,60, 3,77 y 4,62 eV, respectivamente, que concuerdan razonablemente con otros cálculos [37,38,39,40]. Nuestros resultados indican que V _Si el defecto es más fácil de crear en Si a granel. Del mismo modo, el V _Ge defecto a granel Ge es energéticamente más favorable que el Ge _int y defectos de Ge FP, como lo indica la menor energía de formación de defectos de 2,23 eV, que se compara bien con el valor teórico de 2,09 eV [39]. En cuanto al Si / Ge SL, la energía de formación de V _Ge se determina que es 2,73 eV, que es menor que las energías de formación de otros defectos. El siguiente defecto favorable es el V _Si defecto, y se determina que la energía de formación es 2,85 eV. Se observa que el valor de 3,52 eV para Ge _int es menor que el valor de 3.77 eV para Si _int defecto. En cuanto al defecto de FP, la energía de formación es obviamente mayor, es decir, 5,19 eV para Si FP y 5,01 eV para Ge FP, lo que sugiere que los defectos de FP son difíciles de crear. En comparación con los estados generales, las energías de formación de defectos para la estructura Si / Ge SL son generalmente mayores, excepto por los defectos de V _Si y Si _int , lo que indica que en la estructura SL, los defectos puntuales son generalmente más difíciles de formar. Tal discrepancia en la resistencia a la formación de defectos entre los estados generales y la estructura de Si / Ge SL puede resultar en sus diferentes respuestas a la irradiación.

Basado en las estructuras optimizadas, los comportamientos de migración de V _Ge y V _Si Los defectos que son los defectos más favorables a granel y las estructuras de Si / Ge SL se investigan más a fondo. El V _Ge y V _Si Se tienen en cuenta los defectos adyacentes a la interfaz Si / Ge, y las barreras de migración se resumen en la Tabla 4. Se observa que las barreras de migración a lo largo de las direcciones [100] y [110] para V _Ge los defectos son más pequeños que los de V _Si defectos y la barrera de energía para V _Ge la migración a lo largo de la dirección [111] es ligeramente mayor que la de V _Si migración, que son consistentes con los resultados reportados por Cowern et al. [41].

Los paisajes de energía de la migración de defectos a lo largo de las direcciones [100], [110] y [111] se representan en la Fig. 6. En la Fig. 6a, las barreras de migración del V _Si Se determina que el defecto a lo largo de la dirección [100] es de 4,32 y 3,92 eV en Si y Si / Ge SL a granel, respectivamente. En cuanto a la dirección [110], la barrera de migración de 2,14 eV para V _Si en la estructura Si / Ge SL está muy cerca del valor de 2,12 eV en el Si a granel. Comparando la barrera de migración a lo largo de cada dirección, encontramos que la dirección [111] es la dirección de migración más favorable para las vacantes de Si y Ge, como lo indican las barreras de migración significativamente más pequeñas. Especialmente, el V _Si los defectos migran más fácilmente a lo largo de la dirección [111] en Si en masa que en Si / Ge SL, ya que la barrera de energía de 0.11 eV en el estado en masa es mucho más pequeña (ver Fig. 6e). En cuanto a la V _Ge defectos, las barreras de migración a lo largo de la dirección [100] se calculan en 3,67 eV en Ge a granel y 2,87 eV en Si / Ge SL. En el caso de la dirección [110], las barreras de energía se determinan en 1,94 y 1,39 eV en las estructuras bulk y SL, respectivamente. Al igual que en el caso de la migración de vacantes de Si, el V _Ge los defectos son más fáciles de migrar a lo largo de la dirección [111]. Además, la migración ocurre más fácilmente a granel Ge que Si / Ge SL, como se muestra en la Fig. 6f. Nuestros cálculos sugieren que las vacantes de Si y Ge son más móviles en los estados de volumen que la estructura de SL, lo que puede resultar en la formación de vacíos e incluso en la hinchazón del volumen. Esto puede contribuir a diferentes respuestas a la irradiación para las estructuras a granel y SL.

La barrera migratoria de la vacante de silicio (V _Si ) y vacante de germanio (V _Ge ) defectos obtenidos mediante un método de banda elástica con empuje en racimo. un V _Si a lo largo de la dirección [100]; b V _Ge a lo largo de la dirección [100]; c V _Si a lo largo de la dirección [110]; d V _Ge a lo largo de la dirección [110]; e V _Si a lo largo de la dirección [111]; f V _Ge a lo largo de la dirección [111]

Conclusiones

En resumen, los eventos de desplazamiento de baja energía en la superrejilla (SL) de Si, Ge y Si / Ge a granel se han investigado mediante un método de dinámica molecular ab initio. En Si y Ge a granel, se muestra que las energías de desplazamiento de umbral dependen de la dirección cristalográfica y los átomos son más difíciles de desplazar a lo largo de la dirección [110]. Los estados dañados en estados masivos son principalmente defectos intersticiales y de vacantes. En la estructura Si / Ge SL, los átomos de Si son más resistentes a lo largo de la dirección [111], mientras que los átomos de Ge son más difíciles de desplazar a lo largo de la dirección [110]. Nuestros cálculos muestran que las energías para los retrocesos de Ge en la estructura SL son generalmente comparables a las del Ge a granel, mientras que las energías para los retrocesos de Si en la estructura SL son generalmente mucho mayores que las de Si a granel, lo que indica una mayor resistencia a la radiación. de la Si / Ge SL. Los cálculos de energía de formación de defectos muestran que los defectos puntuales en Si / Ge SL generalmente tienen energías de formación más altas, lo que indica que en la estructura SL los defectos puntuales son generalmente más difíciles de formar. También se encuentra que la dirección [111] es la ruta de migración más favorable para las vacantes de Si y Ge, y ambas vacantes son más móviles en los estados generales que en la estructura de SL. Nuestros cálculos sugieren que la resistencia a la radiación mejorada de Si / Ge SL es beneficiosa para su aplicación como dispositivos electrónicos y optoelectrónicos en condiciones de trabajo extremas como la radiación.

Abreviaturas

AIMD:: Dinámica molecular ab initio
E _d :: Energía de desplazamiento de umbral
FP:: Par de Frenkel
Ge:: Germanio
Ge _int :: Intersticial de germanio
Ge _Si :: Germanio ocupando el sitio de celosía de silicio
LDA:: Aproximación de densidad local
MD:: Dinámica molecular
NVE:: Conjunto microcanónico
PKA:: Átomo de reacción primario
PL:: Fotoluminiscencia
QD:: Punto cuántico
QW:: Pozo cuántico
Si:: Silicio
SIESTA:: Iniciativa Española de Simulaciones Electrónicas con Miles de Átomos
Si _Ge :: Silicio que ocupa el sitio de celosía de germanio
Si _int :: Intersticial de silicio
SL:: Superrejilla
SZP:: Conjuntos de base ζ única más orbital de polarización
V _Ge :: Vacante de germanio
V _Si :: Vacante de silicio

Transformación de lodo Si en estructura nano-Si / SiOx por difusión de oxígeno hacia el interior como precursor de ánodos de alto rendimiento en baterías de iones de litio Síntesis y propiedades de puntos cuánticos de CdTe de aleación de Mn emisor de azul soluble en agua

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

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Especias