Кластеры точечных и протяженных дефектов, возникающие в полупроводниках в результате радиационного воздействия, позволяют структурам приобретать различные свойства, которые могут быть использованы при изготовлении приборов нового поколения для наноэлекроники. Численное моделирование полупроводниковых материалов, применяемое для изучения таких процессов, — это ресурсоемкая и многограная задача. Для ее решения создан комплекс многомасштабного моделирования и задана многомасштабная композиция, содержащая экземпляры базовых моделей-композиций. Разработан алгоритм, позволяющий ускорять расчеты для систем больших размерностей и учета большого количества взаимодействующих атомов. В качестве модели рассмотрена структура кремния с комплексом точечных дефектов. Молекулярно-динамическое моделирование проведено с применением многопараметрического потенциала Терсоффа. Для расчетов представлен эффективный подход к осуществлению параллельных вычислений, и применены программные средства распараллеливания вычислений, размещенные на гибридном высокопроизводительном вычислительном комплексе ФИЦ «Информатика и управление» РАН. Для реализации распараллеленного алгоритма использован стандарт OpenMP. Такой подход позволил значительно снизить вычислительную сложность проводимых расчетов.

Показано, что разработанное высокопроизводительное программное обеспечение может значительно ускорить молекулярно-динамические расчеты, в частности, такие как расчет энергии связи дивакансий за счет алгоритма распараллеливания.

Магнитные наночастицы привлекают внимание исследователей благодаря широкому спектру их возможных применений в современных технологиях, включая магнитные носители информации с высокой плотностью данных, микроволновые устройства, сенсоры высокой чувствительности, биомедицину. Наночастицы феррита кобальта (CoFe₂O₄) обладают уникальными свойствами: высокая магнитокристаллическая анизотропия, средняя намагниченности насыщения, высокая коэрцитивная сила и высокий магнитострикцонный коэффициент при комнатной температуре. Эти свойства, наряду с отличной физической и химической стабильностью, делают наночастицы CoFe₂O₄ перспективным материалом для создания магнитных носителей информации – аудио и видео пленки и цифровых магнитных дисков с высокой плотностью данных. Для улучшения свойств наночастиц феррита кобальта используют различные замещающие элементы магнитной и немагнитной природы, например Ni, Zn и Al. Однако существует очень мало работ по замещению наночастиц феррита кобальта цирконием. Исследовано влияние замещения цирконием кобальта в кубическом нанокристаллическом CoFe₂O₄ со структурой шпинели на структуру, морфологию и диэлектрические свойства. Наночастицы феррита кобальта Co_1-xZr_xFe₂O₄ (x = 0,7) с замещением кобальта цирконием выращивались золь-гель методом. Проведены структурные и морфологические исследования с использованием порошковой рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения. Для определения размеров кристаллитов и деформации решетки в образцах использовались методы Шеррера и Вильямсона—Холла. Высокая чистота химического состава образцов была подтверждена методом энергодисперсионной рентгеновской спектрометрии. Осцилляционные моды атомов в синтезированных наночастицах определялись при помощи ИК-Фурье-спектроскопии. Также исследована температурная зависимость диэлектрических свойств наночастиц Co_1-xZr_xFe₂O₄ (x = 0,7). Относительную диэлектрическую пропускную способность, тангенс потерь и электропроводность при постоянном токе измеряли в диапазоне частот от 50 до 5 МГц при температурах от 323 до 473 К. Диэлектрическая проницаемость и величина диэлектрических потерь образцов уменьшались при увеличении частоты приложенного сигнала.

В настоящее время особое значение приобретает развитие технологии сенсоров летучих и токсичных газов для контроля загрязнения окружающей среды, в промышленной технике безопасности и в повседневной жизни. ZnO – перспективный материал для создания газовых сенсоров благодаря его электрохимической устойчивости, нетоксичности, возможности легирования и низкой себестоимости. метод осаждения может стать простой и экономичной альтернативой. Наночастицы Zn_1-xNi_xO синтезированы с использованием нового метода совместного осаждения. Полученные наночастицы исследовали методами рентгеновской дифрактометрии, сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и фотолюминесценции. Подтверждено наличие гексагональной структуры типа вюрцита без вторых фаз в образцах ZnO с замещением Ni. Исследования методом фотолюминесценции показали наличие во всех образцах максимума в диапазоне 380–390 нм, относящегося к кислородным вакансиям. Испытания газочувствительности показали, что сенсоры на основе ZnO, легированного Ni, обладает значительно более высокой чувствительностью по сравнению с чистым ZnO при оптимальной температуре 100 °С. Сенсор определяет наличие газообразного этанола в широком диапазоне концентраций и отличается быстродействием, малым временем восстановления, высокой селективностью и воспроизводимостью результатов. Обсужден возможный механизм формирования газочувствительности. Быстродействие сенсоров на основе наночастиц ZnO объясняется большой контактной площадью поверхности для электронов, кислорода, молекул определяемого газа и наличием большого числа каналов диффузии газа. Высокая эффективность сенсоров говорит о том, что ZnO, легированный Ni, является перспективным наноматериалом для создания газовых сенсоров. При температуре 100 °С время отклика и восстановления нелегированного ZnO составляет 75 и 60 с соответственно, в то время как при легировании 0,25 % (ат.) Ni – 60 и 45 с.

При исследовании транспорта электронов в низкоразмерных структурах часто применяются полупроводниковые гетероструктуры с двумерным электронным газом, в которых тем или иным способом сформированы изолирующие области, отделяющие проводящий канал от затворов. Особенностями таких структур является высокое качество исходных пластин и необходимость изменения топологии в процессе исследования, что делает применение фотолитографии неэффективным.

В настоящей работе рассматривается технология формирования изолирующих канавок при помощи атомно-силового микроскопа – метод импульсной силовой нанолитографии, позволяющий как работать с отдельными образцами, так и формировать на поверхности полупроводника узкие и глубокие канавки, обеспечивающие хорошие изоляционные характеристики. Измеренные транспортные  характеристики созданных таким методом наноструктур подтверждают наличие квантования проводимости канала и отсутствие заметного количества вносимых дефектов.

Al_xGa_1-xAs p-типа проводимости является одним из наиболее часто применяемых материалов для создания активных слоев в гетероструктурах на основе двумерного дырочного газа с высокой подвижностью и окон в p—i—n-гегероструктурах благодаря его способности к улавливанию альфа-частиц. С использованием бериллия в качестве акцепторной легирующей примеси в Al_xGa_1-xAs, выращенном методом молекулярно-лучевой эпитакции, можно легко достичь высокой концентрации дырок на уровне 10¹⁹ см^-3 без нарушения морфологии поверхности. Исследовано влияние изменения концентрации акцепторов на электрофизические параметры Au/Ti на контактах Шотки p-типа проводимости на основе Al_0.29Ga_0.71As, легированных Be, в температурном интервале 100—400 К. Для трех приборов с разными уровнями легирования оценены высота барьера Φ_B, коэффициент идеальности n и последовательное сопротивление R_S каждого диода с использованием модели термоионной эмиссии и метода Чанга. Показано, что образец со средней концентрацией легирующей примеси 3 × 10¹⁶ см^-3 обладает наилучшими рабочими характеристиками, включая коэффициент идеальности, равный 1,25 и коэффициент выпрямления, 2,24 × 10³ при комнатной температуре. У всех образцов наблюдалось аномальное поведение, выраженное в уменьшении Φ_B и увеличении n с ростом температуры. В случае образцов с низкой концентрацией легирующей примеси данное поведение объяснено неоднородностью барьера и описано в предположении гауссова распределения высоты барьеров на границе раздела. В то же время для высоколегированного образца подобное неидеальное поведение объяснено эффектом туннелирования по механизму полевой эмиссии.

Полупроводниковый оксид цинка ZnO обладает уникальными оптическими свойствами и широкими возможностями применения в различных областях техники. Высокие энергия связи экситона, оптическая пропускная способность, подвижность электронов, теплопроводность, а также сильная люминесценция при комнатной температуре создают большие перспективы применения ZnO в качестве материала для производства жидкокристаллических дисплеев, прозрачных проводящих электродов для солнечных батарей, светодиодов, тонкопленочных транзисторов, газовых сенсоров и спинтронных устройств. Эффективным способом улучшения физических свойств ZnO как многофункционального материала является легирование. Для устройств оптической связи и оптоэлектроники Ti, Fe и Co считают эффективными легирующими примесиями в ZnO. Из перечисленных легирующих металлов железо химически стабильно и существует в двух зарядовых состояниях Fe²⁺ и Fe³⁺, ионные радиусы которых близки к ионному радиусу цинка. За счет этого железо может свободно встраиваться в узлы Zn кристаллической решетки путем замещения или в междоузлия без нарушения кристаллической структуры ZnO, тем самым увеличивая количество носителей заряда и повышая проводимость. В работе для осаждения легированных железом пленок ZnO использовали простой, экономичный и не требующий создания вакуума метод спрей-пиролиза с концентрацией легирующего вещества в диапазоне 0–6 % (ат.) при постоянной температуре подложки 400 °С. Проанализировано и обсуждено влияние концентрации железа на физические свойства тонких пленок ZnO. Проведены подробные исследования свойств полученных пленок методами: рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния света, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, инфракрасной Фурье-спектроскопии, спектрофотометрии, а также с помощью измерений магнитных характеристик. На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что концентрация легирующего Fe = 1 % (ат.) является оптимальной для пленок ZnO, обеспечивающей наилучшие физические свойства для создания приборных структур.

26 октября 2019 года Физико-химический факультет НИТУ «МИСиС», предшественник Института новых материалов и нанотехнологий отметил юбилей — 70 лет со дня основания. Здесь учились и работали множество выдающихся ученых и педагогов, оказавших большое влияние на развитие отечественной науки, образования и промышленности. Все, чья жизнь неразрывно связана с Физхимом, собрались поздравить любимый факультет со знаменательной датой.

Редакционная статья

Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники» публикует на русском языке оригинальные и обзорные (заказные) статьи. Адресован российским и зарубежным специалистам в области материаловедения и технологии полупроводниковых, диэлектрических и других материалов электронной техники.