17 Суслов Антон Владимирович висмут висмут-сурьма тонкие пленки размерные эффекты кристаллическая структура зонная структура топологические свойства моделирование из первых принципов 2022 2023-11-22 Проект посвящен исследованию возможностей моделирования из первых принципов на основе теории функционала плотности (DFT) тонких пленок висмута и сплавов висмут-сурьма. Проект носит поисковый характер и открывает новую для коллектива тематику. Основная идея первого этапа заключалась в выяснении возможностей и освоении методики DFT расчетов и сравнению полученных результатов с экспериментальными данными и результатами расчетов в рамках феноменологических моделей. При этом важное внимание уделялось возможностям деформационной инженерии зонной структуры. По итогам работы на первом этапе: 1) Были изготовлены кристаллы чистого висмута (и висмут-сурьма, для последующих этапов выполнения проекта). Эти кристаллы были использованы для напыления тонких пленок. 2) Изготовлены тонкие пленки висмута на подложках с различным коэффициентом температурного расширения (КТР). В виду того, что пленки наиболее совершенной структуры получаются при повышенных температурах, при температуре ниже температуры формирования пленки оказываются в состоянии деформации в плоскости пленки. Такая деформация является деформацией растяжения, если КТР материала подложки меньше, чем у материала пленки, и деформацией сжатия в плоскости, в другом случае. В работе были использованы подложки с КТР как больше, так и меньше, чем у висмута. Были установлено, что температура в процессе напыления и температура отжига пленок должны быть уменьшены для пленок с толщиной менее 100 нм, по сравнению с пленками больших толщин для получения наиболее совершенной кристаллической структуры. 3) Были проведены рентгеноструктурные исследования и исследования методами АСМ для анализа кристаллической структуры пленок на различных подложках. Были установлены численные значения постоянных решетки c и a (в гексагональной элементарной ячейке) в пленках на различных подложках. Эти параметры могут быть использованы как хорошие начальные значения при оптимизации геометрии методами DFT. Также не было найдено изменений постоянной решетки пленок с уменьшением толщины до 50 нм. 4) Был получен массив экспериментальных данных исследования удельного сопротивления, магнетосопротивления и коэффициента Холла пленок висмута толщиной 10–1250 нм на различных подложках в диапазоне температур 77–300 К в магнитном поле до 0,7 Тл. На основании экспериментальных результатов были проведены расчеты концентрации и подвижности носителей заряда в двухзонном приближении, при допущении равенства концентрации электронов и дырок, а также сохранении формы электронной поверхности Ферми подобной ее форме в массивных монокристаллах висмута. По полученной концентрации носителей заряда в рамках тех же приближений были проведены оценки положения энергетических экстремумов валентной зоны и зоны проводимости относительно уровня Ферми. При этом предполагалось что актуальными являются экстремум валентной зоны в точке T и в точке L зоны проводимости зоны Бриллюэна. Параметры носителей заряда предполагались равными параметрам в монокристаллах висмута. 5) Для исследования возможностей численного эксперимента были использованы пакеты CASTEP (http://www.castep.org) и Quantum ESPRESSO (https://www.quantum-espresso.org). В рамках данного этапа реализации проекта были исследованы исключительно массивные монокристаллы висмута в условиях одноосной деформации вдоль тригональной оси. В данных расчетах был использован функционал PBE в сочетании с norm-conserving псевдопотенциалом, поскольку показали наилучшее согласие с экспериментом, среди использованных подходов. Показано, что для пленок толщин свыше 100 нм результаты моделирования зонной структуры массивных кристаллов и результаты расчетов на основе феноменологических представлений в рамках двухзонной модели находятся в хорошем качественном согласии. При дальнейшем уменьшении толщины используемая феноменологическая модель выходит за рамки применимости. Было показано, что при меньших толщинах необходимо учитывать больше экстремумов валентной зоны, а также вклад поверхностных состояний. В этой связи сложно ожидать согласия расчетов массивоподобных структур и экспериментальных данных. Дальнейшим направлением исследования представляется расчет энергетической структуры тонких пленок и попытки ее сравнения с энергетической структурой массивного висмута. К настоящему моменту предполагается, что это возможно сделать на основе сравнения плотности состояний. https://rep.herzen.spb.ru/publication/10603