Особенности атомной и электронной структуры различных форм sp-углерода с учётом влияния примесей водорода, фтора и кислорода

На правах рукописиКоробова Юлия ГеннадьевнаОСОБЕННОСТИ АТОМНОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫРАЗЛИЧНЫХ ФОРМ sp-УГЛЕРОДАС УЧЁТОМ ВЛИЯНИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОДОРОДА,ФТОРА И КИСЛОРОДА01.04.04 – физическая электроника01.04.07 – физика конденсированного состоянияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА - 2013Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультетаМосковского Государственного Университета имени М.В.

ЛомоносоваНаучные руководители:кандидат физико-математических наукХвостов Валерий Владимировичкандидат физико-математических наукБажанов Дмитрий ИгоревичОфициальные оппоненты:Мордкович Виктор Наумович,доктор физико-математических наук, профессор, зав. лабораторией, Институт проблемтехнологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.Багатурьянц Александр Александрович,доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией, Центр фотохимии РАНВедущая организация:Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»Защита состоится «23» мая 2013 года в 15-30 на заседании диссертационного советаД 501.001.66 при Московском государственном университете имени М.В.

Ломоносова поадресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Физический факультет МГУ,ауд. СФА.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке МГУ имени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «22» апреля 2013 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.66,к.ф.-м.н.И.Н. Карташов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время прогресс в создании интергальных микросхем основывается наминиатюризации. Однако полупроводниковая электроника скоро придёт к физическомупределу, после которого дальнейшая миниатюризация невозможна. Кроме того, ужедостигаются такие масштабы элементов – нано-масштабы, на которых начинают игратьзначительную роль квантовые свойства веществ.Поскольку дальнейшая миниатюризация является необходимым процессом, топредставляются чрезвычайно актуальными исследования, направленные на созданиенизкоразмерных структур с размерами 1-10нм (наноэлектроника), способных обеспечитьдальнейший рост производительности интегральных микросхем.Наиболее перспективным решением данного вопроса являются структуры наоснове углерода, поскольку углерод, обладая большим набором различных форм,проявляет интересные квантовые свойства, вследствие чего обладает уникальнойвозможностью формировать как идеальные двумерные (графен) и одномерные (линейноцепочечный углерод) структуры, так и гибридные наноразмерные объекты (фуллерены,нанотрубки и т.п.).

Различные углеродные формы обладают как проводящими, так идиэлектрическими свойствами, что позволяет в принципе создать наноэлектронныеустройства на основе лишь одного элемента – углерода.Одним из типов структур, представляющих для наноэлектроники наибольшийинтерес, являются плёночные структуры, которые позволяют реализовать широкоприменяемую сейчас планарную технологию производства микросхем. Такими плёнкамимогутслужитьсостоящиеизориентированныеизогнутыхплёнкиуглеродныхлинейно-цепочечногоцепей,ориентированныхуглерода(ЛЦУ),перпендикулярноповерхности подложки, и получаемые методом ионно-стимулированного осаждения.

Попредварительным анализам, такие пленки позволят создать в пределе, полевыетранзисторы, состоящие из нескольких атомов, транзисторы, в которых не происходитрассеяния носителей заряда, а, следовательно, и нагрева структур.Наряду с пленками ЛЦУ для изучения представляет интерес и кристаллическаямодификация ЛЦУ – кристалл карбина. Поскольку сшивки между цепочками, которыеприсутствуют в структуре кристалла, могут рассматриваться как каналы проводимости, тоогромный интерес представляют исследования электронных свойств кристаллов.

Такжекристаллы карбина могут рассматриваться как заменитель кремниевых и германиевых3подложек. Кроме того, места сшивок цепочек в его составе являются потенциальнымипозициями абсорбции для примесей (например, водорода), таким образом, что кристаллможет быть рассмотрен как потенциальный накопитель примеси.Для прогнозирования и расчёта электрофизических свойств гетероструктур наоснове ЛЦУ требуются данные по электронной и атомной структуре соответствующихматериалов.

До сих пор было показано, что контакт ориентированных плёнок ЛЦУ сразличными материалами от металлов до полупроводников различного типа обладаетдиодными вольт-амперными характеристиками, свето- и термочувтсвительностью идругими свойствами, но вопрос особенностей атомного и электронного строения ЛЦУструктур, причин их стабильности открыт. Следовательно, изучение атомного строения иэлектронных особенностей таких ЛЦУ-структур является актуальной задачей для нужднаноэлектроники.Цели и задачи диссертационной работыЦельюданнойработыявлялосьтеоретическоеисследованиеатомнойиэлектронной структуры ориентированных углеродных плёнок и кристаллов карбина дляобъяснения их стабильности, уточнения модели атомной структуры, основанной наэкспериментальных данных, а так же анализ влияния примесей на них.В связи с этим были поставлены следующие задачи:1.исследование формирования и стабилизации изгибов отдельных углеродныхцепочек и анализ роли примеси водорода в этом процессе;2.определение влияния структурных изгибов цепочек на их электронную структуру;3.анализ атомной структуры ориентированных плёнок ЛЦУ и уточнение модели ихатомной структуры, основанной на экспериментальных данных;4.определение распределения заряда вдоль углеродных цепочек в составе плёнок иобъяснение стабильности атомной структуры плёнок;5.выяснение возможности формирования изгибов углеродных цепочек за счёт другихпримесей (фтор, кислород), кроме водорода и построение модели структуры плёнок сэтими примесями;6.исследование атомной и электронной структуры кристалла карбина;7.анализ влияния примеси водорода на атомную и электронную структуру кристаллакарбина.4Научная новизна работыВ работе впервые проведены комплексные исследования на основе расчётов изпервых принципов методом теории функционала электронной плотности, встроенным впрограммный пакет VASP (Vienna ab initio simulation package) атомной и электроннойструктуры отдельных изогнутых углеродных цепочек, ориентированных плёнок линейноцепочечного углерода и кристаллов карбина в присутствии примесей водорода, фтора икислорода.Практическая ценность работы.1.

Новые знания, полученные в результате теоретических исследований из первыхпринциповатомнойиэлектроннойструктурыуглеродныхцепочек,ориентированных плёнок ЛЦУ и кристаллов карбина, способствуют дальнейшемууглублению представлений о возможных формах линейно-цепочечного углерода ивлияния примесей (водород, фтор, кислород) на свойства атомной и электроннойструктуры ЛЦУ. Эти знания вносят существенный вклад в развитие физическихоснов углеродного материаловедения и в решение проблемы создания углеродныхматериалов с заданной структурой и свойствами.2. Введение примеси водорода позволяет оптимизировать технологию полученияплёнок линейно-цепочечного углерода больших толщин, что позволит увеличитьих ёмкость и потенциально позволяет повысить удельную ёмкость созданной изних накопительной ячейки не менее, чем на порядок, и применять их в качествеэлектродов для электрохимических накопителей энергии.3.

Введение примеси водорода на изгибах углеродных цепочек также компенсируетоборванные связи на изгибах цепочек. Эти связи соответствуют ловушкам внутризапрещённойзоныцепочки.запрещённойзоныцепочки,баллистическоготранспорта.СостоянияатомовобеспечиваяЕсливводородатакимкачествеобразомнаходятсявнеусловиядлястабилизирующейпримесииспользуются атомы фтора и кислорода, то появившиеся в цепочке избыточныеэлектроны могут давать дополнительный вклад в проводимость, реализуяпроводимость n-типа.4.

Возможность стабилизации структуры ориентированных плёнок ЛЦУ за счётпримеси фтора позволит улучшить бактерицидные свойства плёнок, что позволит5расширить спектр возможных их применений в медицине не только какбиосовместимое покрытие, но и как бактерицидное.5. Возможность управлять проводящими свойствами кристалла карбина за счётизменения концентрации примеси водорода открывает перспективу использованияего для нужд современной электроники.Апробация работыРезультаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующихконференциях:1.Международная конференция “Carbon Nanomaterials In Clean-EnergyHydrogen Systems” (CNCEHS’2010), Ялта, 2010;2.Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых «Ломоносов – 2012»;3.XLII международная Тулиновской конференция по физике взаимодействиязаряженных частиц с кристаллами (Москва 29 мая – 31 мая 2012 )ПубликацииПо результатам диссертации опубликовано 8 печатных работ, список которыхприводится в конце автореферата, в том числе 4 статьи в реферируемых журналах изсписка, предложенного ВАК.Структура и объём диссертацииДиссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка цитируемойлитературы и двух приложений.