Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію
Розраховано електронний спектр надкомiрки з 64 атомiв кремнiю, що мiстить домiшковий атом кисню в мiжвузловому положеннi та станi замiщення. Розрахунок проведено методом LMTO. У повiдомленнi обговорюються змiни густини електронних станiв монокристалiв кремнiю, а також можливiсть формування магнiтних...
Saved in:
| Date: | 2009 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8002 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію / I.В. Плющай, В.А. Макара // Доп. НАН України. — 2009. — № 3. — С. 110-114. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-8002 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Плющай, І.В. Макара, В.А. 2010-04-26T14:48:07Z 2010-04-26T14:48:07Z 2009 Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію / I.В. Плющай, В.А. Макара // Доп. НАН України. — 2009. — № 3. — С. 110-114. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8002 538.915 Розраховано електронний спектр надкомiрки з 64 атомiв кремнiю, що мiстить домiшковий атом кисню в мiжвузловому положеннi та станi замiщення. Розрахунок проведено методом LMTO. У повiдомленнi обговорюються змiни густини електронних станiв монокристалiв кремнiю, а також можливiсть формування магнiтних моментiв на домiшкових атомах. Показано, що частково заповнена домiшкова пiдзона атомiв кисню в мiжвузловому положеннi може призводити до формування магнiтного моменту. The electronic spectrum of a 64-Si-atom supercell with oxygen impurity in the interstitial and substitution positions is calculated by the linear muffin-tin orbital (LMTO) method. Changes in the density of electronic states, as well as the possible formation of magnetic moments on impurity atoms, are discussed. We have demonstrated that the partially filled defect band of O atoms in the interstitial position can lead to the formation of a magnetic moment. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію Electronic and magnetic states of oxygen atoms in Si monocrystals Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| spellingShingle |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію Плющай, І.В. Макара, В.А. Матеріалознавство |
| title_short |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| title_full |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| title_fullStr |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| title_full_unstemmed |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| title_sort |
електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію |
| author |
Плющай, І.В. Макара, В.А. |
| author_facet |
Плющай, І.В. Макара, В.А. |
| topic |
Матеріалознавство |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| publishDate |
2009 |
| language |
Ukrainian |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Electronic and magnetic states of oxygen atoms in Si monocrystals |
| description |
Розраховано електронний спектр надкомiрки з 64 атомiв кремнiю, що мiстить домiшковий атом кисню в мiжвузловому положеннi та станi замiщення. Розрахунок проведено методом LMTO. У повiдомленнi обговорюються змiни густини електронних станiв монокристалiв кремнiю, а також можливiсть формування магнiтних моментiв на домiшкових атомах. Показано, що частково заповнена домiшкова пiдзона атомiв кисню в мiжвузловому положеннi може призводити до формування магнiтного моменту.
The electronic spectrum of a 64-Si-atom supercell with oxygen impurity in the interstitial and substitution positions is calculated by the linear muffin-tin orbital (LMTO) method. Changes in the density of electronic states, as well as the possible formation of magnetic moments on impurity atoms, are discussed. We have demonstrated that the partially filled defect band of O atoms in the interstitial position can lead to the formation of a magnetic moment.
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/8002 |
| citation_txt |
Електронний та магнітний стани атомів кисню в монокристалах кремнію / I.В. Плющай, В.А. Макара // Доп. НАН України. — 2009. — № 3. — С. 110-114. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT plûŝaiív elektronniitamagnítniistaniatomívkisnûvmonokristalahkremníû AT makarava elektronniitamagnítniistaniatomívkisnûvmonokristalahkremníû AT plûŝaiív electronicandmagneticstatesofoxygenatomsinsimonocrystals AT makarava electronicandmagneticstatesofoxygenatomsinsimonocrystals |
| first_indexed |
2025-11-25T21:01:33Z |
| last_indexed |
2025-11-25T21:01:33Z |
| _version_ |
1850545129807413248 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2009
МАТЕРIАЛОЗНАВСТВО
УДК 538.915
© 2009
I. В. Плющай, член-кореспондент НАН України В. А. Макара
Електронний та магнiтний стани атомiв кисню
в монокристалах кремнiю
Розраховано електронний спектр надкомiрки з 64 атомiв кремнiю, що мiстить домiшко-
вий атом кисню в мiжвузловому положеннi та станi замiщення. Розрахунок проведе-
но методом LMTO. У повiдомленнi обговорюються змiни густини електронних станiв
монокристалiв кремнiю, а також можливiсть формування магнiтних моментiв на до-
мiшкових атомах. Показано, що частково заповнена домiшкова пiдзона атомiв кисню
в мiжвузловому положеннi може призводити до формування магнiтного моменту.
Кисень — домiнуюча домiшка в монокристалах кремнiю як основи сучасного приладобу-
дування. Саме це привертає увагу дослiдникiв до всебiчного вивчення впливу кисню на
властивостi кремнiю. На сьогоднi маємо данi про незвичнi магнiтнi (навiть феромагнiтнi)
властивостi монокристалiв Si, якi пов’язують з кисневмiсними дефектами. Наприклад, у ро-
ботi [1] отримано нелiнiйнi польовi залежностi магнiтної сприйнятливостi χ(H) монокриста-
лiв кремнiю при T = 80 К, якi корелюють з концентрацiєю цих дефектiв. Таку феромагнiтну
поведiнку магнiтної сприйнятливостi можна пояснити, за [1], прямою обмiнною взаємодiєю
мiж кисневмiсними дефектами в областях так званих мiкрофлуктуацiй концентрацiї кисню
з концентрацiєю тих самих дефектiв — 1018–1021 см−3.
Питання наявностi або вiдсутностi магнiтних моментiв на домiшках кисню також цiкаве
з точки зору нещодавно вiдкритого магнiтопластичного ефекту на монокристалах Si [2, 3].
Послiдовного пояснення цього ефекту досi не iснує, але деякi дослiдники пов’язують вплив
магнiтного поля на механiчнi характеристики кристалiв Si саме через вiдповiднi реакцiї
дефектiв, що мають магнiтний момент [3].
Феромагнетизм, який включає лише s- й p-електрони, становить iнтерес для дослiд-
никiв. Так, експериментально встановлено наявнiсть феромагнетизму у фулеренах [4–6]
та графiтових системах [7]; теоретичного обгрунтування цих явищ поки що немає. Але
бiльшiсть дослiдникiв дотримується думки, що магнiтнi моменти в sp-структурах створю-
ються за рахунок дефектiв [8–11]. Так, наприклад, у роботi [12] висувається гiпотеза, що
феромагнiтнi властивостi графiтових систем можуть бути поясненi на основi зонного маг-
нетизму. Дефекти графiтових структур призводять до появи рiзкого асиметричного пiку
на рiвнi Фермi. З iншого боку, наявнiсть у зоннiй структурi плоскої зони на рiвнi Фермi
110 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №3
Рис. 1. Енергетична залежнiсть густини електронних станiв: кристалiчного Si (а), надкомiрки з 64 атомiв
Si та атома О у мiжвузловому станi (усереднена на один атом) (б ), атома О у мiжвузловому станi (в).
Масштаб на всiх рисунках однаковий; енергiя вiдраховується вiд рiвня Фермi
є передумовою для виникнення зонного магнетизму. Якщо плоска зона напiвзаповнена, то
вiдштовхувальна електрон-електронна взаємодiя призводить до спiн-поляризованого основ-
ного стану. Реалiзацiя такого стану залежить вiд ступеня перекриття сусiднiх локалiзованих
орбiталей. Автори статтi [13] теоретично встановили можливiсть подiбного роду магнетизму
також у гексагональних BN площинах з рiзними типами дефектiв.
Метою даної роботи було встановити особливостi електронних станiв домiшок кисню
в монокристалах кремнiю та проаналiзувати можливiсть виникнення на них локалiзованих
магнiтних моментiв. Для з’ясування електронного стану домiшок кисню в кремнiї нами
було розраховано кривi густини електронних станiв надкомiрки з 64 атомiв кремнiю. Ки-
сень розглядався в двох структурних станах — мiжвузловий у вiдповiднiй порi та у станi
замiщення одного атома Si. Концентрацiя кисню ∼ 1,5% (1020 см−3). Розрахунок проводи-
ли методом linear muffin-tin orbital (LMTO) [14] за допомогою пакета програм Stuttgart-
TB-LMTO-ASA-program [15]. Енергiю вiдраховували вiд рiвня Фермi. Згiдно з результата-
ми розрахунку, повна енергiя атома O у мiжвузловому станi на ∼0,2 еВ менша за енергiю
атома O у станi замiщення. Останнє ще раз пiдтверджує вiдомий факт, що домiнуючий
стан атомiв O у кристалах Si є мiжвузловим i пiдтверджує коректнiсть проведених роз-
рахункiв.
Енергетичну залежнiсть густини електронних станiв n(E) надкомiрки з 64 атомiв Si,
що мiстить один мiжвузловий атом O у розрахунку на один атом, демонструє рис. 1, б.
У цiлому, отриманий усереднений спектр вiдповiдає спектру чистого Si (див. рис. 1, а), що
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №3 111
Рис. 2. Енергетична залежнiсть густини електронних станiв: надкомiрки з 64 атомiв Si та атома О у станi
замiщення (усереднена на один атом) (а), атома О у станi замiщення (б )
свiдчить про адекватнiсть розрахунку. Єдиною якiсною вiдмiннiстю є формування вузького
додаткового пiка в забороненiй зонi безпосередньо над валентною зоною. Аналiз локальних
спектрiв (див. рис. 1, в) дозволяє зв’язати цей пiк саме зi станами домiшкових атомiв О. Та-
ким чином, електроннi стани домiшкового атома О у мiжвузловому станi формують вузьку
домiшкову пiдзону (напiвширина ∼ 0,6 еВ) в околi рiвня Фермi. Утворення домiшкової
пiдзони в околi забороненої зони є типовим для напiвпровiдникiв. Принциповим є те, що
домiшкова пiдзона електронних станiв О у мiжвузловому станi дуже вузька (плоска) i част-
ково заповнена. Останнє, згiдно з роботами [12, 13], може призвести до виникнення зонного
магнетизму, як це вiдбувається в графiтових структурах.
Залишається питання про ступiнь делокалiзацiї таких домiшкових станiв. Ми прослiд-
кували, який внесок у домiшкову зону дають атоми кремнiю, що знаходяться на рiзних
координацiйних сферах навколо домiшки О (Si1 — Si9). Навiть атоми Si9 (дев’ята коор-
динацiйна сфера) дають невеликий, але помiтний внесок у домiшкову зону, що дає змогу
зробити висновок про вiдносну делокалiзацiю вiдповiдних домiшкових станiв.
Усереднену густину електронних станiв надкомiрки Si, що мiстить О у станi замiщен-
ня (а), та спектр електронних станiв домiшкового О (б ) наведено на рис. 2. Видно, що за-
гальний спектр практично не вiдрiзняється вiд спектра чистого Si, що знову таки пiдтверд-
жує адекватнiсть розрахунку: 1,5% домiшок О не змiнюють значно електронну структуру
кристалiв Si; а електронний спектр атома О у даному випадку вiдрiзняється вiд спектра ато-
ма О у мiжвузловому станi. В станi замiщення основною особливiстю електронного спектра
О є утворення двох субпiкiв з потраплянням рiвня Фермi в псевдощiлину мiж ними. Така
картина є характерною при утвореннi ковалентного (локалiзованого) зв’язку. Вiдповiдно,
можна зробити висновок, що електроннi орбiталi атома О у станi замiщення утворюють
зв’язуючi та антизв’язуючi локалiзованi молекулярнi орбiталi з електронними орбiталями
сусiднiх атомiв Si i, отже, не можуть мати магнiтний момент. Вищезгадана вузька пiдзо-
112 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №3
Рис. 3. Енергетична залежнiсть густини електронних станiв надкомiрки з 64 атомiв Si та атома О у мiж-
вузловому станi (усереднена на один атом) — для спiну вгору й униз
Рис. 4. Енергетична залежнiсть густини електронних станiв атома О у мiжвузловому станi для спiну вгору
й униз.
Масштаб по осi OX змiнено; енергiя вiдраховується вiд рiвня Фермi
на на рiвнi Фермi (яку ми асоцiюємо з ненасиченими, “обiрваними” зв’язками) у даному
випадку незначна (див. рис. 2, б ).
Таким чином, отриманi особливостi електронного стану домiшкового О дають змогу
говорити про вiдсутнiсть магнiтних властивостей у атомiв О у станi замiщення та можли-
вiсть виникнення магнiтного моменту на атомах О у мiжвузловому станi. Для з’ясування
величини магнiтного моменту на домiшкових атомах О у мiжвузловому станi нами був про-
ведений спiн-поляризований розрахунок електронної структури надкомiрки з 64 атомiв Si,
що мiстить один атом О. На рис. 3 наведено вiдповiднi усередненi по надкомiрцi електроннi
спектри в проекцiї на напрям спiну вгору та вниз. Видно, що спектри в цiлому однаковi, за
виключенням областi вказаної вузької пiдзони бiля рiвня Фермi.
На рис. 4 у збiльшеному по осi енергiї масштабi наведено електронний спектр мiжвуз-
лових атомiв О у проекцiї на напрям спiну вгору та вниз. Одразу помiтно, що домiшковi
пiдзони не є однаковими. Електроннi стани, що вiдповiдають напряму спiну, вгору запов-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2009, №3 113
ненi, а пiдзона спiну — униз частково незаповнена. Отже, ми маємо нескомпенсований маг-
нiтний момент на мiжвузлових атомах О у кристалiчному Si. Згiдно з нашою оцiнкою, цей
момент становить 0,5µБ на атом О. Нагадаємо, що це значення отримане при концентрацiї
домiшкових атомiв кисню ∼ 1020 см−3; розрахунок проводили без урахування термiчних
збурень.
1. Неймаш В.Б. Процеси трансформацiї станiв домiшки кисню в монокристалах кремнiю при високо-
енергетичному опромiненнi та термообробках : Дис. . . . д-ра фiз.-мат. наук. – Київ, 2007. – 325 с.
2. Makara V.A., Steblenko L. P. et al. Effect of weak magnetic field on structural arrangement of extrinsic
oxygen atoms and mechanical properties of silicon monocrystals // Semicond. Phys., Quantum Ellectron.
and Optoelectron. – 2006. – 9, No 2. – P. 1–3.
3. Головин Ю.И., Моргунов Р. Б. Магниторезонансное разупрочнение кристаллов // Природа. – 2002. –
№ 8. – С. 49–57.
4. Makarova T. L. Magnetic carbon // Nature (London). – 2001. – 413. – P. 716–718.
5. Makarova T. L. Retraction: Magnetic carbon // Ibid. – 2006. – 440. – P. 707.
6. Kvyatkovskii O.E. Spin-transfer mechanism of ferromagnetism inpolymerized fullerenes: Ab initio calcula-
tions // Phys. Rev. B. – 2005. – 72. – P. 214426–214434.
7. Esquinazi P. Induced Magnetic Ordering by Proton Irradiation in Graphite // Phys. Rev. Lett. – 2003. –
91. – P. 227201–227205.
8. Osorio-Guillén J. Magnetism without Magnetic Ions: Percolation, Exchange, and Formation Energies of
Magnetism-Promoting Intrinsic Defects in CaO // Ibid. – 2006. – 96. – P. 107203–107400.
9. Edwards D.M. High-temperature ferromagnetism of sp electrons in narrow impurity bands: application to
CaB6 // J. Phys.: Condens. Matter. – 2006. – 18. – P. 7209–7226.
10. Andriotis A.N. Are s-, p- and d-ferromagnetism of the same origin? // Ibid. – 2005. – 17. – Р. L35-L38.
11. Andriotis A.N. Defect-originated magnetism in carbon-based and non-traditional inorganic compounds:
A new class of magnetic materials // Europhys. Lett. – 2005. – 72. – P. 658–663.
12. Макарова Т.Л. Магнитные свойства углеродных структур // Физика и техника полупроводников. –
2004. – 38, вып. 6. – С. 641–664.
13. Ru-Fen Liu, Ching Cheng. Ab initio studies of the possible magnetism in BN sheet by non-magnetic
impurities and vacancies // Phys. Rev. B. – 2007. – 76. – P. 014405–014411.
14. Andersen O.K. Linear methods in band theory // Ibid. – 1975. – 12. – P. 3060–3084.
15. http://www.fkf.mpg.de/andersen/.
Надiйшло до редакцiї 25.09.2008Київський нацiональний унiверситет
iм. Тараса Шевченка
I. V. Plyushchay, Corresponding Member of the NAS of Ukraine V.A. Makara
Electronic and magnetic states of oxygen atoms in Si monocrystals
The electronic spectrum of a 64-Si-atom supercell with oxygen impurity in the interstitial and
substitution positions is calculated by the linear muffin-tin orbital (LMTO) method. Changes in the
density of electronic states, as well as the possible formation of magnetic moments on impurity
atoms, are discussed. We have demonstrated that the partially filled defect band of O atoms in the
interstitial position can lead to the formation of a magnetic moment.
114 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2009, №3
|