Simulação Ab Initio da Resposta à Radiação de Baixa Energia em Si, Ge e Super-redes Si/Ge

Introdução

Nos últimos anos, a super-rede Si/Ge emergiu como uma plataforma versátil para dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de próxima geração, impulsionada por sua estrutura de banda ajustável e mobilidade de portadores aprimorada. Aplicações abrangem fotodiodos rápidos para comunicação óptica, microeletrônica, células solares e componentes para o espaço. No entanto, a exposição a íons de alta energia no espaço pode alterar as propriedades ópticas e eletrônicas desses materiais, levando à degradação do dispositivo. Consequentemente, compreender a resposta à radiação de SLs Si/Ge sob condições extremas é essencial.

Trabalhos experimentais documentaram a superior resistência à radiação de SLs Si/Ge comparadas ao Si bulk. Por exemplo, estudos de irradiação por elétrons em SLs com monocamada de Ge incorporada mostraram degradação de fotoluminescência reduzida relativa ao silício bulk, enquanto irradiação de prótons de 2 MeV em estruturas de ponto quântico de Ge em SL revelaram tolerância excepcional. Tendências semelhantes foram observadas em dispositivos de poço quântico de Ge em multicamadas Si/Ge e em medições termoelétricas, onde a fluência iônica aumentou a figura de mérito ao melhorar a dispersão de fônons e o transporte eletrônico. Apesar desses insights, uma compreensão atomística abrangente da formação e evolução de defeitos em SLs Si/Ge permanece faltando.

Dinâmica molecular ab initio (AIMD) oferece uma ferramenta poderosa para sondar danos de radiação na escala atômica, fornecendo potenciais interatômicos derivados de cálculos de estrutura eletrônica de primeiros princípios. Diferente de MD clássico, AIMD captura efeitos de transferência de carga e blindagem eletrônica, permitindo determinação precisa de energias de deslocamento limiar (E_d) e configurações de defeitos. Neste trabalho, empregamos AIMD para comparar eventos de deslocamento de baixa energia em Si bulk, Ge bulk e uma SL Si₂/Ge₂, identificar os mecanismos subjacentes aos seus comportamentos de radiação distintos e quantificar a energetica de formação e migração de defeitos.

Métodos

As cascatas de deslocamento foram simuladas com o código SIESTA. Pseudopotenciais de Troullier-Martins conservadores de norma descreveram a interação íon-elétron, enquanto a aproximação de densidade local (LDA) na parametrização de Ceperley-Alder tratou efeitos de troca-correlação. Estados de valência foram expandidos em um conjunto de base single-ζ mais polarização (SZP), com uma malha k-point 1 × 1 × 1 e corte de 60 Ry. A supercélula modelo para a SL compreendia 288 átomos arranjados em duas camadas de Si alternando com duas camadas de Ge (Si₂/Ge₂). A Figura 1 ilustra as geometrias do Si bulk e da SL Si/Ge.

Um átomo primary knock-on (PKA) foi selecionado e recebeu energia cinética para iniciar um evento de recuo. Se o PKA retornasse ao seu sítio de rede, a simulação foi repetida em energia maior com incrementos de 5 eV; uma vez que o PKA permaneceu deslocado, o limiar foi refinado com precisão de 0,5 eV. Para cada elemento, examinamos quatro a cinco direções cristalográficas no bulk e na SL. Todas as execuções usaram o ensemble NVE e foram limitadas a 1,2 ps para evitar instabilidade numérica.

Visão esquemática das estruturas geométricas de a Si bulk e b super-rede Si/Ge. As esferas azuis e verdes representam átomos de Si e Ge, respectivamente.

Resultados e Discussão

Eventos de Deslocamento no Silício e Germânio Bulk

Nossos cálculos AIMD resultaram em constantes de rede de 5,50 Å para Si bulk (correspondendo ao experimental 5,43 Å e teórico 5,48 Å) e 5,71 Å para Ge bulk (em linha com o experimental 5,77 Å e teórico 5,65 Å). A Tabela 1 resume as energias de deslocamento limiar (E_d) e as estruturas de defeitos resultantes, enquanto as Figuras 2 e 3 mostram as configurações de dano para Si e Ge, respectivamente.

a–d Visão esquemática das estruturas geométricas de Si danificado após eventos de recuo. Esferas verdes e vermelhas denotam defeitos de lacuna e intersticial, respectivamente. V_Si: lacuna de silício; Si_int: intersticial de silício.

a–d Visão esquemática das estruturas geométricas de Ge danificado após eventos de recuo. Esferas vermelhas e azuis representam defeitos de lacuna e intersticial, respectivamente. V_Ge: lacuna de germânio; Ge_int: intersticial de germânio.

Para Si bulk, os valores calculados de E_d estão próximos às medições experimentais: 21 eV para [001], ~47,6 eV para [110] e ~12,9 eV para [111]. O tipo primário de defeito em todos os casos é um par Frenkel (lacuna mais intersticial). Nosso E_d para [110] (47 eV) excede o valor de MD clássico (24 eV), refletindo a inclusão de efeitos de transferência de carga no AIMD. Os mecanismos de deslocamento variam: ao longo de [111], o PKA espalha para um sítio intersticial enquanto o átomo deslocado retorna ao seu sítio de rede; ao longo de [001], uma sequência mais complexa de trocas produz duas lacunas e dois intersticiais; e ao longo de [110], múltiplas colisões levam a um aglomerado de pares Frenkel. Esses resultados confirmam que a direção [110] é a mais resistente ao deslocamento no Si bulk.

Ge bulk mostra valores de E_d que se alinham bem com experimento e teoria: ~18 eV para [001] e 9,5 eV para [111] e [1 1 1]. Deslocamento ao longo de [111] resulta em formação simples de intersticial, enquanto ao longo de [110] o PKA troca posições com um átomo de Ge vizinho, criando uma lacuna e um intersticial. Como no Si, a direção [110] é a mais difícil de deslocar. A paisagem de defeitos geral no Si e Ge bulk é dominada por pares Frenkel.

Eventos de Deslocamento na Super-rede Si/Ge

Investigamos a SL Si₂/Ge₂ selecionando átomos PKA adjacentes à interface Si/Ge. A Tabela 2 lista os valores de E_d e defeitos associados, enquanto as Figuras 4 e 5 ilustram as configurações resultantes.

a–d Visão esquemática das estruturas geométricas de dano da super-rede Si/Ge após eventos de recuo de Si. Esferas azuis e verdes denotam átomos Si e Ge; esferas roxas e vermelhas representam defeitos de lacuna e intersticial. V_X e X_int indicam lacunas e intersticiais (X = Si ou Ge), enquanto X_Y mostra um átomo ocupando um sítio de rede Y.

a–e Visão esquemática das estruturas geométricas de dano da super-rede Si/Ge após eventos de recuo de Ge. Esferas azuis e verdes denotam átomos Si e Ge; esferas roxas e vermelhas representam defeitos de lacuna e intersticial. V_X e X_int indicam lacunas e intersticiais (X = Si ou Ge), enquanto X_Y mostra um átomo ocupando um sítio de rede Y.

Na SL, átomos de Si são altamente resistentes ao longo da direção [1 1 1] (E_d = 10 eV), enquanto Si[001] e Si[00 1̅] requerem 46,5 eV e 42,5 eV, respectivamente, e geram aglomerados complexos de anti-sítio. Átomos de Ge na SL mantêm baixos valores de E_d ao longo de [111] e [1 1 1̅] (≈16 eV) semelhantes ao Ge bulk, mas exibem limiares maiores ao longo de [001] (≈17 eV) e [00 1̅] (≈18 eV). Importante, Ge[110] na SL tem E_d reduzido (8,5 eV) e produz um aglomerado de defeitos misto (lacuna, anti-sítio, intersticial). Esses achados confirmam que a SL aumenta a resistência à radiação para Si e, em menor grau, para Ge, em concordância com observações experimentais anteriores.

Energia de Formação de Defeitos e Barreira de Migração no Si Bulk, Ge Bulk e Super-rede Si/Ge

Calculamos energias de formação de defeitos para lacunas, intersticiais e anti-sítios no Si bulk, Ge bulk e SL usando uma supercélula de 64 átomos, amostragem k-point 6 × 6 × 6 e corte de 500 eV. Os resultados, mostrados na Tabela 3, indicam que V_Si (3,60 eV) e V_Ge (2,23 eV) são os defeitos mais favoráveis em seus respectivos materiais bulk, enquanto a SL exibe energias de formação ligeiramente maiores para a maioria dos defeitos, com V_Ge (2,73 eV) e V_Si (2,85 eV) ainda sendo as mais baixas.

Barreiras de migração foram avaliadas para V_Ge e V_Si adjacentes à interface da SL usando o método de banda elástica empurrada (Tabela 4). Lacunas migram mais prontamente ao longo da direção [111] tanto no bulk quanto na SL, mas as barreiras são consistentemente menores no bulk (ex.: V_Si ao longo de [111]: 0,11 eV no bulk vs 0,12 eV na SL). Em contraste, migração ao longo de [100] e [110] mostra diferenças modestas. Esses resultados sugerem que a mobilidade de lacunas é suprimida na SL, o que poderia reduzir aglomeração de defeitos e inchamento sob irradiação.

Conclusões

Nossa investigação AIMD demonstra que as energias de deslocamento limiar no Si e Ge bulk são fortemente anisotrópicas, com a direção [110] sendo a mais resistente. Na SL Si/Ge, átomos de Si exibem resistência aprimorada ao longo das direções [111] e [001], enquanto átomos de Ge mantêm limiares semelhantes ao bulk, exceto por um valor reduzido ao longo de [110]. Energias de formação de defeitos confirmam que defeitos pontuais são mais difíceis de criar na SL, e barreiras de migração indicam mobilidade de lacunas reduzida, especialmente ao longo da direção [111] mais favorável. Esses efeitos combinados sustentam a superior tolerância à radiação de super-redes Si/Ge, tornando-as atraentes para dispositivos que devem suportar ambientes de radiação severos.

Abreviações

AIMD:

Dinâmica molecular ab initio

E_d :

Energia de deslocamento limiar

FP:

Par Frenkel

Ge:

Germânio

Ge_int :

Intersticial de germânio

Ge_Si :

Germânio ocupando sítio de rede de silício

LDA:

Aproximação de densidade local

MD:

Dinâmica molecular

NVE:

Ensemble microcanônico

PKA:

Átomo primary knock-on

PL:

Fotoluminescência

QD:

Ponto quântico

QW:

Poço quântico

Si:

Silício

SIESTA:

Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms

Si_Ge :

Silício ocupando sítio de rede de germânio

Si_int :

Intersticial de silício

SL:

Super-rede

SZP:

Conjuntos de base single-ζ mais orbital de polarização

V_Ge :

Lacuna de germânio

V_Si :

Lacuna de silício