Расчет энергетической структуры точечных дефектов в нитриде алюминия методами теории функционала плотности / Александров И.А., Журавлев К.С.

Определение энергетической структуры и оптических свойств точечных дефектов в кристаллахявляется фундаментальной задачей, решение которой необходимо для улучшения качестваматериалов, используемых для создания оптических и электронных приборов. Нитриды металловтретьей группы перспективны для создания светодиодов и лазерных диодов ультрафиолетового ивидимого диапазона, мощных высокочастотных транзисторов, ультрафиолетовых фотоприемников,источников одиночных фотонов, работающих при комнатной температуре. Для идентификации полосфотолюминесценции и поглощения в нитриде алюминия в данной работе проведены расчеты энергийформирования, уровней термодинамических переходов и формы полос фотолюминесценции ипоглощения точечных дефектов в AlN методами теории функционала плотности. Расчетыпроводились с использованием гибридного функционала HSE [1] и оптимизированных сохраняющихнорму псевдопотенциалов Вандербита [2] в программном пакете Quantum Espresso [3]. Расчетнаяширина запрещенной зоны соответствует экспериментальной Eg=6.1 эВ [4] при значении параметра αгибридного функционала HSE, отвечающего за долю короткодействующего Хартри-Фоковскогообменного функционала, равном 0.33. Расчеты энергетической структуры дефектов проводились сэнергией отсечки при разложении на плоские волны Ecut=80 Ry, с использованием 96-атомнойсверхъячейки и смещенной относительно начала координат сетки Монкхорста-Пака 2×2×2 дляинтегрирования по зоне Бриллюэна. При расчете энергетической структуры заряженных дефектовпроводилась корректировка, учитывающая взаимодействие зарядов в периодически повторяющейсясверхъячейке [5]. Результат расчета параметров решетки и энтальпии формирования объемного AlNa=3.11 Å, c=4.97 Å, Hf=3.15 эВ хорошо согласуется с экспериментальными данными a=3.11 Å,c=4.98 Å, Hf=3.28 эВ [6,7]. Расчет формы полос фотолюминесценции проводился с использованиемметода, предложенного работе [8]. Согласно расчетам, термодинамические уровни переходов междузарядовыми состояниями (-3/-2), (-2/-1), (-1/0) и (0/+1) вакансии алюминия в AlN расположены на3.16 эВ, 2.91 эВ, 2.49 эВ и 1.34 эВ выше дна зоны проводимости. Термодинамический уровеньперехода (-1/0) примеси углерода в подрешетке азота CN расположен на 1.99 эВ выше дна зоныпроводимости. Примесь кислорода в подрешетке азота ON проявляет свойства DX-центров, длякоторых присоединение второго электрона к нейтральному дефекту приводит к сильной релаксациирешетки с образованием глубокого уровня. В положительно заряженном и нейтральном состоянииON наиболее энергетически выгодным является положение кислорода в узле решетки на месте азота.В отрицательно заряженном состоянии наиболее энергетически выгодным является положениекислорода в смещенном относительно гексагональной оси положении, кроме того, локальныйминимум энергии наблюдается при смещении атома кислорода вдоль гексагональной оси втетраэдрическое междоузлие.