Computer simulation of growth and photo-induced phenomena

Die Doktorarbeit besteht aus drei Teilen: i) kinetische Monte Carlo Simulationen von Stufenbündeln während epiktaktischen Wachstums in kristallinen Materiallen, ii) molekulardynamische Simulation von Wachstum von amorphen Halbleitern, iii) Tight-binding molekulardynamische Simulationen von lichtinduzierten Phänomenen in amorphem Selen. Im Kapitel 2 ich habe den Effekt von nichtbeweglichen Störstellen auf Stu-fenbündel während epiktaktischen Wachstums untersucht. Dabei habe ich kineti-schen Monte Carlo Simulationen verwendet. Ich habe den Computercode selbst imp-lementiert. Das Programm ist in der Lage, die Ablagerung von einer Millionen Ato-men in dem relevanten Parameterregime zu verfolgen. Ich habe Systeme mit zwei, drei und acht Stufen untersucht. Systeme mit zwei Stufen zeigen drei verschiedene Verhalten entsprechend den Typen der Störstellen. Wenn die abgelagerten Störstel-len die lokale Diffusion unterdrücken, dann zeigt das System das Paaren von Stufen. Wenn die Störstellen die lokale Diffusion nicht beeinflussen, dann entspricht die Zeitentwicklung der Fläche der Terrassen einem Zufallsweg und es deutet nichts dar-auf hin, dass das System entweder das Paaren von Stufen oder das Angleichen der Terrassengrößen bevorzugen würde. Wenn die Störstellen die lokale Diffusion för-dern, hat das System die Präferenz, Terrassen von gleicher Größe zu bilden. Die Si-tuation wird komplizierter wenn drei Stufen in dem System sind. Die Zeitentwick-lung der Terrassengrossen zeigt ein komplizierteres oszillierendes Verhalten auch in der Abwesendheit der Störstellen wegen der Kopplung der Geschwindigkeiten von nebenaneinanderliegenden Stufen durch Teilung der selben Terrassen, von denen die Adatome von den beiden Stufen eingesammelt werden. Störstellen können die Oszil-lationen entweder verstärken oder dämpfen, je nachdem, ob die Störstellen die lokale Diffusion hindern oder fördern. Das Paaren von Stufen kann auch in dem System mit drei Stufen beobachtet werden, aber es bilden sich keine Tripel von Stufen. Die Paa-ren sind nur für kurze Zeit stabil, weil Sie nach dem Entstehen sich bald wieder auf-lösen. In dem Fall von acht Stufen kann die Wechselwirkung der Stufen untersucht werden. Störstellen, die die lokale Diffusion fördern, führen zu ausgeglichenen Ter-rassengrößen. Gegen die Erwartung passiert kein Stufenbündeln, wenn die Störstel-len die lokale Diffusion hindern. Außerdem kann ein Wellenverhalten von Entstehen und Auflösen der Stufenpaare beobachtet werden. In Kapitel 3 untersuche ich das Wachstum von amorphen Halbleitern. Das Kapitel hat drei Haupteile, in denen ich die Resultate diskutiere: Sektion 3.3, Sektion 3.4 and Sektion 3.5. In Sektion 3.3 stelle ich meine Ergebnisse über die molekulardynamische Un-tersuchung von verschiedenen Herstellungsmethoden des amorphen Selens vor. Da-bei verwende ich ein klassisches empirisches Potenzial, um die interatomare Wech-selwirkung zu beschreiben. Dies ermöglicht die Simulation von großen Systemen (1000-2000 Atomen) und von langen Zeitskalen (1-2 ns) auf einem einzigen Prozes-sor. Zuerst habe ich amorphe Strukturen verglichen, die mit verschiedener Bombar-dierungsenergie gewachsen waren (0.1 eV, 1 eV and 10 eV). Ich habe dabei alle an-deren Parameter unverändert gelassen, die Temperatur des Substrates ist 100 K, Ab-lagerungsgeschwindigkeit ist ein Atom je 300 fs. Ich habe festgestellt, dass es eine starke Abhängigkeit der Dichten von der Bombardierungsenergie gibt. Die Dichte steigt mit der Bombardierungsenergie an: 3.21 g/cm3 (0.1 eV), 3.73 g/cm3 (1 eV) and 4.34 (10 eV) g/cm3. Außerdem, habe ich festgestellt, dass die Anzahl von rückgestreuten Atomen anwächst, wenn die Bombardierungsenergie niedriger wird. Die Kinetik des Wachstums ist unterschiedlich, je nach dem, ob man große (1 eV) oder kleine Bombardierungsenergie nimmt. Bei niedrigerer Bombardierungsenergie (0.1 eV) entsteht zuerst eine poröse atomare Struktur auf der Oberfläche und die Lücken in dieser Struktur werden später langsam mit Atomen aufgefüllt. Bei höheren Bom-bardierungsenergien gibt keinen Unterschied zwischen frühen und späten Stadium des Wachstums, weil es keine poröse Struktur entstehen kann. Ich habe auch ver-schiede Präparationstechniken verglichen: Wachstum und rapides Kühlen. Die ato-mare Struktur der amorphen Dünnschicht, die durch rapides Kühlen hergestellt wur-de, ist homogener als die Dünnschicht, die durch Wachsen hergestellt wurde. Ich habe meine Ergebnissen mit Streuungsmessungen von amorphem Selen und von Mo-lekülen, die Selen enthalten, verglichen. Die simulierte Struktur hat ein zu schmalen erste Nachbar Peak in der radialen Verteilungsfunktion verglichen mit den Streu-ungsergebnissen von amorphem Selen. Die Übereinstimmung mit Streuergebnissen von Molekülen, die Selenatome enthalten, ist gut. In Sektion 3.4 habe ich verschiedene amorphe Strukturen verglichen, die mit unterschiedlichen atomare Wechselwirkungen hergestellt worden sind, um zu bestimmen, wann man quantensmechanische Beschreibung statt klassische Beschrei-bung verwenden muss. Die drei verwendeten Potentiale waren: klassisches empiri-schen Potential (CLASS), tight-binding Model ohne Hubbard-Größe (TB-NOHUB) und ein selbstkonsistentes tight-binding Model mit Hubbard-Größe (TB-HUB). Die Hubbard Größe hilft Ladungstransfer zu vermeiden und die Atome zu neutralisieren. Ich habe die strukturellen Eigenschaften der entstandenen amorphen Netze analisiert: signifikante Abweichungen können in der radialen Verteilungsfunktion, Bindungs-winkelverteilungsfunktion, dihedrische Winkelverteilungsfunktion und Koordina-tionsdefekten auftreten. Außerdem, habe ich Statistiken über Streuungsversuche von Molekülen, die Selen enthalten, präsentiert. Ich habe einen Zusammenhang zwischen Bindungslänge und Bindungswinkeln festgestellt: mit wachsende Bindungslänge nimmt der Bindungswinkel ab. Nur Model TB-HUB hat dieses Ergebnis nicht repro-duziert. Model TB-HUB ist das realistischste amorphe Selennetz unter den drei Mo-dellen. Model TB-NOHUB ist nicht akzeptabel, weil es zu viele Koordinationsdefek-ten enthält. In Sektion 3.5 beschreibe ich die Ergebnissen der Computersimulation von amorphem Silizium, nachdem ein neues tight-binding Model für Silizium (Lenosky Model) ich implementiert habe. Das neue Model soll viel bessere Ergebnisse liefern als die vorherige Version, entwickelt von Kwon et al. Meine Motivation war, gute strukturelle Modelle von amorphem Silizium herzustellen und ich war auch durch das Fakt motiviert, dass das neue tight-binding Model (Lenosky Model) noch nicht an amorphen Strukturen getestet wurde. Ich hab eine amorphes Siliziumnetz präpa-riert, so dass ich die selben Parameterwerte benutzt habe, die auch K. Kohary in sei-ner Doktorarbeit benutzt hat, in der er das Silizium tight-binding Model von Kwon angewendet hatte, um ein amorphes Siliziumnetz zu modellieren. Mein Ziel ist es, die beiden tight-binding Modelle (Lenosky vs. Kwon) zu vergleichen und festzustel-len, welches Model, in welcher Hinsicht, sich als besser erweist. Ich habe Dichten, Bindungslängen, Bindungswinkel, Koordinationsdefekte, Anzahl von Drei- und Vierecken verglichen. Der größte Unterschied war in der Beschreibung von Koordi-nationsdefekten zu finden. Das Kwon Model erzeugt sechs- und zweifache Koordi-nationsdefekte und das Lenosky Model nicht. Ich habe auch die Kompatibilität mit dem Wooten-Winer-Weaire Model untersucht. Das Wooten-Winer-Weaire Model ist ein Modelnetzwerk des amorphen Siliziums, das hundertprozentige vierfache atoma-re Koordination zeigt. Ich habe das Wooten-Winer-Weaire Model mit beiden tight-binding Modellen bei T=0 K relaxieren lassen. Dann habe ich die Anzahl von Koor-dinationsdefekten in den Modelle bestimmt. Die zwei verschieden tight-binding Mo-dele haben entgegengesetzte Ergebnisse produziert: das Kwon Model fünf- und sechsfache Koordinationsdefekte, dagegen das Lenosky Model dreifach koordinierte Defekte produzierte. Im Allgemeinen beschreibt das Lenosky Model amorphes Sili-zium besser als das Kwon Model, weil das Lenosky Model nicht sechsfache Koordi-nationsdefekten produziert, die nur im flüssigen Silizium vorkommen sollten. Im Kapitel 4 präsentiere ich Ergebnisse über tight-binding Computersimulati-on von photo-induzierte, Phänomene, in amorphem Selen. In einem isolierten Selen-ring bestehend aus acht Atomen und in einer isolierten Selenkette bestehend aus achtzehn Atomen habe ich Bindungsbrechen nach dem Transferieren eines Elektrons aus den höchsten nichtbesetzten molekularen Orbital in das niedrigste besetze mole-kulare Orbital beobachtet. Nach diesem Ergebnis habe ich das Verhalten eines amor-phen Selennetzwerkes während Photoanregung simuliert. In diesen Rechungen habe ich die Elektron-Loch Wechselwirkung vernachlässigt, weil die Energieskala der Potentialfluktuationen infolge der Unordnung größer als die typische Energieskala der Elektron-Loch Wechselwirkung ist. Deswegen habe ich Elektronen und Löcher voneinander getrennt behandelt, indem ich zwei verschiedene Simulationen für die Simulation einer Photoerregung durchgeführt habe: eine, in der ein extra Elektron erzeugt wird, und eine, in der ein extra Loch erzeugt anders gesagt, ein Elektron ent-fernt wird. Auf dieser Ergebnissen basierend habe ich eine neue Erklärung für die lichtinduzierte Volumenänderung in kalkogenen Gläsern vorgeschlagen. Ich habe gefunden, dass kovalentes Bindungsbrechen infolge einer Elektronerzeugung und das Entstehen schwacher kovalente Interkettigen-Bindungen infolge einer Elektronver-nichtung stattfindet. Das Zusammenspiel des Entstehendes einer Interkettigen Bin-dung und des Bindungsbrechens kann entweder eine makroskopische Ausdehnung oder Zusesamenziehung verursachen. Beide Phänomene können in diesem Bild be-schrieben werden. Ich habe auch den nichtidealen Fall untersucht, in dem nur ein Teil der Prozesse reversibel ist und die totale Volumenänderung aus zwei Teilen be-steht: reversible und irreversible Teile. Die mikroskopische Beschreibung der Volu-menänderungen ist mit den in-situ Messungen konsistent. Damit habe ich gezeigt, dass molekulardynamische Simulationen lichtinduzierte Volumenänderungen erklä-ren können und habe den Weg für zukünftige molekulardynamische Simulationen photo-induzierter Phänomene gebahnt.