Dynamika sieci i stabilność termodynamiczna powierzchni półprzewodników azotkowych wyliczane w oparciu o metody ab initio

W obecnej fazie rozwoju cywilizacyjnego oczekuje się od naukowców i inżynierów konstruowania coraz bardziej zaawansowanych przyrządów i urządzeń. Duża część z nich bazuje na materiałach półprzewodnikowych, wśród których znajdują się także azotki metali z grupy III układu okresowego. Półprzewodniki te znalazły już bardzo szerokie zastosowanie m.in. w optoelektronice oraz w układach do przetwarzania sygnałów o wysokiej częstotliwości i dużej mocy. Panuje opinia, że potencjalne możliwości tych materiałów wciąż nie są w pełni wykorzystane, głównie ze względu na wyjątkowo trudną technologię ich wytwarzania, a także niedostateczne poznanie rozmaitych efektów w nich występujących. W celu zdobycia nowej oraz rozszerzenia już istniejącej wiedzy na ten temat nadal wskazane jest prowadzenie badań podstawowych dotyczących tych półprzewodników.

Jednym z kluczowych aspektów jest znajomość fizyki zjawisk zachodzących na powierzchni. Celem projektu jest zbadanie wpływu zmian temperatury na stabilność struktur powierzchni półprzewodników azotkowych: GaN, InN i AlN, wychodząc od podstawowych praw natury (ab initio), takich jak prawa mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej. Problemem, który pozostaje do rozwiązania w przypadku tych materiałów, jest brak zgodności pomiędzy wynikami uzyskiwanymi przy użyciu istniejących w literaturze modeli teoretycznych a wynikami obserwacji i pomiarów, szczególnie w zakresie wysokich temperatur. Zauważyliśmy, że dostępne w literaturze analizy termodynamiczne często zaniedbują wkład pochodzący od drgań termicznych atomów i cząsteczek znajdujących się na powierzchni, co może być przyczyną istotnych błędów w opisie ilościowym.

Sednem naszego podejścia jest wyznaczenie właściwości dynamicznych powierzchni za pomocą obliczeń z pierwszych zasad oraz uwzględnienie ich w opisie termodynamicznym powierzchni. Najbardziej istotnym i czasochłonnym zadaniem będzie wykonanie obliczeń opartych na teorii funkcjonału gęstości (DFT), których wyniki pozwolą odtworzyć widma fononów (kwantów energii drgań sieci krystalicznej) dla układów reprezentujących powierzchnie. Na ich podstawie będziemy mogli określić brakujący w dotychczasowym opisie wkład związany ze zmianami temperaturowymi fazy skondensowanej. Pozwoli to przeprowadzić analizę termodynamiczną z dużo większą dokładnością niż w dotychczasowych opracowaniach. W tym sensie nasz projekt stanowi krok od opisu jakościowo zgodnego z eksperymentem do opisu zgodnego również ilościowo.

Uzyskane wyniki będą mogły zostać wykorzystane w teoretycznych modelach wzrostu półprzewodników azotkowych, w szczególności dotyczących epitaksji z fazy gazowej. Udoskonalenie opisu teoretycznego stworzy możliwość dokładniejszego kontrolowania procesu wzrostu tych półprzewodników. Wiedza o warunkach panujących na powierzchni materiału może przełożyć się na umiejętność celowego wbudowywania określonych domieszek lub zmiany koncentracji niepożądanych zanieczyszczeń. Dobra znajomość fizyki powierzchni może również pomóc w przełamywaniu kolejnych barier technologicznych związanych ze wzrostem kryształów, struktur i urządzeń azotkowych.