Моделирование диффузии атомов в многокомпонентных полупроводниках в неупорядоченном состоянии

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Теория функционала плотности (DFT) с использованием обобщенного градиентного приближения (GGA) позволила оптимизировать кристаллическую структуру, рассчитать параметры решетки и зонную структуру полупроводниковых соединений TlMS₂(M = Ga, In) с моноклинной структурой (пространственная группа С2/с , № 15). DFT-расчеты структуры соединений были расширены с использованием двух обменно-корреляционных функционалов GGA-PBE и GGA + U (U — кулоновский параметр) со значением U — J = 2.1 эВ (эффективный параметр взаимодействия). Методом молекулярной динамики (МД) рассчитаны коэффициенты термодиффузии (Dα) атомов отдельных типов (α), т. е. атомов таллия, галлия, индия и серы вблизи температуры плавления соединения TlMS₂. Значения Dα атомов TlMS₂ получены в приближении локальной нейтральности с использованием канонического ансамбля NVT MD. Значения Dα атомов были скорректированы с учетом среднеквадратичных смещений атомов при заданных времени и температуре. Построены зависимости атомов Dα =f(1 / T), описываемые законом Аррениуса. Рассчитана энергия активации диффузии атомов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. М. Асадов

Научно-исследовательский институт “Геотехнологические проблемы нефти, газа и химия”; Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Нагиева Министерства науки и образования Азербайджана

Автор, ответственный за переписку.
Email: salim7777@gmail.com
Россия, Баку; Баку

Список литературы

  1. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids (2nd edn). Oxford University Press. UK 626, 2017. ISBN: 9780198803195.
  2. Cicek Z., Yakut S., Deger D., Bozoglu D., Mustafaeva S. Thickness dependence of dielectric properties of TlGaS2 thin films // Materials Science in Semiconductor Processing. 2023. V. 166. P. 107733. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2023.107733
  3. Mustafaeva S.N., Asadov M.M., Guseinova S.S., Dzhabarov A.I., Lukichev V.F. Electronic, dielectric properties and charge transfer in a TlGaS2: Nd3+ single crystal at direct and alternating current // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. № 4. P. 426–433. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.04.53497.251
  4. Mustafaeva S.N., Asadov M.M., Huseynova S.S., Hasanov N.Z., Lukichev V.F. Ab initio calculations of electronic properties, frequency dispersion of dielectric coefficients and the edge of the optical absorption of TlInS2: Sn single crystals // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. № 6. P. 617–627. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.06.53823.299
  5. Asadov S.M., Mustafaeva S.N., Lukichev V.F. Modifying the Dielectric Properties of the TlGaS2 Single Crystal by Electron Irradiation // Russian Microelectronics. 2020. V. 49. № 4. P. 263–268. https://doi.org/10.1134/S1063739720040022
  6. Nemerenco L., Syrbu N.N., Dorogan V., Bejan N.P., Zalamai V.V. Optical spectra of TlGaS2 crystals // Journal of Luminescence. 2016. V. 172. P. 111–117. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.12.001
  7. Hussein S.A., Bahabri F.S., Al-Orainy R.H., Shoker F., Al-Gohtany S.A., Al-Garni S.E. Thermoelectric Characterization of Thallium Gallium Disulphide, TlGaS2 // Journal of King Abdulaziz University. Sci. 2013. V. 25. № 1. P. 3–14. https://doi.org/10.4197/Sci.25-1.1
  8. Mustafaeva S.N., Asadov M.M., Kyazimov S.B., Gasanov N.Z. T-x phase diagram of the TlGaS2-TlFeS2 system and band gap of TlGa1–xFexS2(0 ≤ x ≤ 0.01) single crystals // Inorganic Materials. 2012. V. 48. № 10. P. 984–986. https://doi.org/10.1134/s0020168512090117
  9. Delgado G.E., Mora A.J., Pérez F.V., González J. Crystal structure of the ternary semiconductor compound thallium gallium sulfide, TlGaS2 // Physica B. 2007. V. 391. № 2. P. 385–388. https://doi.org/10.1016/j.physb.2006.10.030
  10. Kashida S., Yanadori Y., Otaki Y., Seki Y., Panich A.M. Electronic structure of ternary thallium chalcogenide compounds // Physica status solidi. (a). 2006. V. 203. № 11. P. 2666–2669. https://doi.org/10.1002/pssa.200669598
  11. Ashraf I.M. Photophysical Properties of TlGaS2 Layered Single Crystals // The Journal of Physical Chemistry. B. 2004. V. 108. № 30. P. 10765–10769. https://doi.org/10.1021/jp0311411
  12. Allakhverdiev K.R. Two-photon absorption in layered TlGaSe2, TlInS2, TlGaS2 and GaSe crystals // Solid State Communications. 1999. V. 111. № 5. P. 253–257. https://doi.org/10.1016/s0038-1098(99)00202-1
  13. Qasrawi A.F., Gasanly N.M. Optoelectronic and electrical properties of TlGaS2 single crystal // Physica status solidi. (a). 2005. V. 202. № 13. P. 2501–2507. https://doi.org/10.1002/pssa.200521190
  14. Yuksek N.S., Gasanly N.M., Aydinli A., Ozkan H., Acikgoz M. Infrared photoluminescence from TlGaS2 layered single crystals // Crystal Research and Technology. 2004. V. 39. № 9. P. 800–806. https://doi.org/10.1002/crat.200310256
  15. Asadov S.M., Mustafaeva S.N., Huseynova S.S. Simulation of the growth of a TlInS2 single crystal, DFT calculation of electronic properties, and ac conductivity of samples // Fizika. 2023. Section C. P. 47–52.
  16. Asadov S.M. Molecular Dynamics Modeling of a Ternary Semiconductor Compound in A Liquid State // The Journal of Physical Chemistry. 2023. V. 1. № 1. P. 01–08. https://cskscientificpress.com
  17. Roccatano D. A Short Introduction to the Molecular Dynamics Simulation of Nanomaterials. In book: M.J. Jackson, W. Ahmed (eds.) Micro and Nanomanufacturing. Volume II. Chapter 6. Springer International Publishing AG. 2018. P. 123–154. https://doi.org/10.1007/978-3-319-67132-1_6
  18. Lammps. http://lammps.sandia.gov/. LAMMPS Molecular Dynamics Simulator.
  19. Verlet L. Computer “Experiments” on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard—Jones Molecules // Physical Review. 1967. V. 159. P. 98–103. https://doi.org/10.1103/PhysRev.159.98
  20. Görling A. Exchange-correlation potentials with proper discontinuities for physically meaningful kohn-sham eigenvalues and band structures // Physical Review. B. 2015. V. 91. P. 245120-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.245120
  21. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Physical Review Letters. 1996. V. 77. № 18. P. 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  22. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Erratum: generalized gradient approximation made simple // [Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865]. Physical Review Letters. 1997. V. 78. № 7. P. 1396–1396. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.1396
  23. Asadov M.M., Mustafaeva S.N., Guseinova S.S., Lukichev V.F. Ab initio calculations of electronic properties and charge transfer in Zn1–xCuxO with wurtzite structure // Physics of the Solid State. 2022. V. 64. № 5. P. 526–533. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.05.54011.27
  24. Plimpton S. Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics // Journal of Computational Physics. 1995. V. 117. № 1. P. 1–19. https://doi.org/10.1006/jcph.1995.1039

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Оптимизированная ячейка DFT GGA-PBE кристалла TlGaS₂ с моноклинной структурой.

Скачать (106KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зонная структура соединения TlGaS₂, рассчитанная методом DFT GGA-PBE. Состояния в области отрицательной энергии принадлежат валентной зоне, а состояния в области положительной энергии принадлежат зоне проводимости.

Скачать (194KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Иллюстрация первого закона Фика. Частицами могут быть атомы, молекулы или структурные компоненты TlMS₂. Первый закон Фика для изотропной среды записывается как Jₓ = —D(∂C/∂x), где Jₓ — поток частиц (диффузионный поток); C — плотность частиц (концентрация); D — коэффициент диффузии (или коэффициент пропорциональности) рассматриваемых типов частиц. Знак “минус” в этом уравнении указывает на противопо-ложные направления диффузионного потока и градиента концентрации.

Скачать (89KB)
Метаданные
5. Рис. 4. MD-рассчитанная временная зависимость среднеквадратичного смещения атомов соединения TlGaS₂ в жидком состоянии при T = 1170 K. Нижняя прямая линия до точки перегиба соответствует диффузионному режиму.

Скачать (86KB)
Метаданные
6. Рис. 5. MD-рассчитанная зависимость коэффициента диффузии атомов соединения TlGaS₂ в жидком состоянии (Т = 1170 К) с учетом среднеквадратичных смещений атомов в момент времени t.

Скачать (70KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Температурная зависимость рассчитанного коэффициента диффузии атомов TlGaS₂: 1 — галлий; 2 — таллий.

Скачать (60KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Примитивная ячейка кристалла TlInS₂ с моноклинной структурой.

Скачать (134KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Теоретическая зависимость среднеквадратичного смещения атомов α-типа соединения TlInS₂ от времени в жидком состоянии при T = 1045 К. Нижняя прямая линия до точки перегиба соответствует диффузионному режиму.

Скачать (76KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Вычисленные методом MD коэффициенты диффузии атомов α-типа соединения TlInS₂ в жидком состоя-нии с учетом среднеквадратичных смещений в момент времени t; T = 1045 K.

Скачать (76KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024