CC BY
1
ФОРМИРОВАНИЕ ВАКАНСИОННЫХ ДЕФЕКТОВ В ДВУМЕРНЫХ
СТРУКТУРАХ
И.А. Какорин, студент
Волгоградский государственный университет (Россия, г. Волгоград)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-2-3-18-21
Аннотация. В работе описывается образование вакансионных дефектов в двумерных структурах, приведены факторы, которые влияют на этот процесс. Вакансионные дефекты могут изменять как геометрию и структуру слоя, так и его электронные состояния. Более подробно представлено образование вакансии на примере плоского бора, расчеты выполнены полуэмпирическим методом - MNDO.
Ключевые слова: плоский бор, вакансия, метод MNDO, графен, слой.
В последние годы двумерные материалы привлекают к себе внимание благодаря своим уникальным свойствам и широкому применению в различных областях, таких как электроника и оптика [1]. Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, является одним из наиболее известных двумерных материалов. Однако изучение двумерных структур выходит за рамки графена и включает в себя другие материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов, фосфорен и гексагональный нитрид бора [2].
Хотя двумерные материалы обладают замечательными свойствами, они не застрахованы от дефектов. Одним из распространенных типов дефектов является вакансия, когда один или несколько атомов отсутствуют в кристаллической решетке [3]. На образование вакансий влияют следующие факторы:
1. Тепловые флуктуации: повышение температуры приводит к усилению атомных колебаний, что облегчает атомам смещаться со своих мест в решетке.
2. Радиационное облучение: облучение высокоэнергетическими частицами, такими как электроны или ионы, может вызвать образование вакантных дефектов в двумерных материалах. Удар этих частиц может вытеснить атомы из мест решетки, создавая вакансии. Этот эффект особенно важен в тех случаях, когда двумерные материалы подвергаются облучению.
3. Химические реакции: воздействие газов или жидкостей может привести к удалению атомов из решетки в результате химических реакций. Это особенно актуально для конкретных применений, когда химические модификации могут непреднамеренно приводить к появлению вакантных дефектов.
4. Механическая деформация: деформация может нарушить кристаллическую решетку, что приведет к образованию вакансий, поскольку материал пытается снять напряжение. Это важно, когда двумерные материалы испытывают механическую нагрузку или интегрированы в гибкие устройства [4].
Наличие вакантных дефектов может существенно изменить геометрические, электронные, оптические и механические свойства двумерных материалов. В некоторых случаях вакантные дефекты могут выступать в качестве носителей заряда, влияя на проводимость структуры. Понимание влияния вакансий необходимо для оптимизации характеристик двумерных материалов в электронных устройствах, сенсорах и катализе.
Исследование образование вакансии рассматривалось на структуре плоского бора [5]. Расчеты проводились полуэмпирическим методом - МКОО. Чтобы смоделировать образование вакансионного дефекта один из атомов бора (рис. 1) пошагово удалялся от поверхности слоя с интервалом 0,1 А.
Рис. 1. Атом бора, участвующий в образовании вакансии
В каждой точке вычислялась энергия системы, зависимость энергии от расстояния представлена на рисунке 2. Энергия формирования дефекта рассчитывалась по формуле: Еа = Е слоя — (Едеф + Ев), где Еслоя —
энергия идеального слоя плоского бора, Едеф - энергия структуры с вакансией, Ев -энергия атома бора. Энергия образования дефекта оказалась равной 14,9 эВ.
*
ю
5 0 -5 ■10 15 -20 а
0 0,5 ] t i! 2 2,5 i
г л
Рис. 2. Зависимость энергии от расстояния между вырываемым атомом бора и поверхностью слоя плоского бора
Поиск устойчивого положения системы показал, что атомы, находящиеся вокруг вакансии, смещаются к месту локализации вакансии. Подробное изучение геометрических параметров слоя при отрыве атома бора показало, что на расстоянии 0,4 А от плоскости происходит нарушение плоской структуры бора, а именно вместе с удаляющемся атомом соседние атомы приподнимаются. На расстоянии 0,7 А происходит удлинение и разрыв В-В связей, при
этом атомы поверхности возвращаются в исходное состояние и слой становиться плоским. Дальнейшее удаление атома приводит к тому, что атомы вблизи вакансии изменяют своё положение и в структуре образовались пентагоны (рис. 3). Далее происходит незначительное перераспределение атомов в слое. На расстоянии 2,6 А влияние атома В, удаленного из слоя становится незначительным.
Рис. 3. Фрагмент слоя плоского бора с дефектом поверхности
Образование вакансионных дефектов в их образования имеет решающее значение двумерных структурах - сложное явление, для использования всего потенциала дву-на которое влияют различные факторы, мерных материалов. Необходимо изучать такие как температура, радиационное об- способы образования и манипулирования лучение, химические реакции и механиче- вакантными дефектами для изменения ская деформация. Хотя дефекты неизбеж- свойств двумерных материалов. ны, всестороннее понимание механизмов
Библиографический список
1. Давлетова, О.А. Структура и электронные характеристики пиролизованного полиак-рилонитрила: специальность 05.27.01 "Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах": автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Давлетова Олеся Александровна. - Волгоград, 2010. - 17 с.
2. Панченко, А.Н. Двумерные материалы, их свойства и применение / А.Н. Панченко // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. - 2023. - № 2-2(77). -С. 132-134. - DOI 10.24412/2500-1000-2023-2-2-132-134.
3. Эволюционный поиск и расшифровка двумерной структуры нового материала - ок-синитрида бора / З.И. Попов, К.А. Тихомирова, В.А. Демин [и др.] // Биохимическая физика : труды XXI ежегодной молодежной конференции с международным участием ИБХФ РАН-вузы, Москва, 15-16 ноября 2021 года. - Москва: Российский университет дружбы народов (РУДН), 2022. - С. 73-75.
4. Мурзаханов, Ф.Ф. Вакансионные центры в карбиде кремния 4H-SiC и нитриде бора hBN: электронная структура и спиновая поляризация триплетных состояний: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук / Мурзаханов Фадис Фанилович, 2023. - 124 с.
5. Boroznina, E.V. Boron monolayer X3-type. formation of the vacancy defect and pinhole / E.V. Boroznina, O.A. Davletova, I.V. Zaporotskova // Журнал нано- и электронной физики. -2016. - Vol. 8, № 4. - P. 04054. - DOI 10.21272/jnep.8(4(2)).04054.
FORMATION OF VACANCY DEFECTS IN TWO-DIMENSIONAL STRUCTURES
I.A. Kakorin, Student Volgograd State University (Russia, Volgograd)
Abstract. The work describes the formation of vacancy defects in two-dimensional structures and lists the factors that influence this process. Vacancy defects can change both the geometry and structure of the layer and its electronic states. The formation of a vacancy is presented in more detail using the example of a flat boron; calculations were performed using the semi-empirical method - MNDO.
Keywords: flat boron, vacancy, MNDO method, graphene, layer.
