Моделирование собственных дефектов аморфного SiO2 методами квантовой молекулярной динамики

Точечные дефекты в аморфном и стеклообразном SiO2 играют важную роль в различных областях науки и техники: в микроэлектронике, в многослойных оптических покрытиях, в волоконной оптике и др. В микроэлектронике SiO2 используется в качестве изолирующих слоев полупроводниковых приборов, и электронные состояния дефектов в запрещенной зоне SiO2 могут быть ловушками электронов и дырок, и быть причиной токов утечки и накопления паразитного заряд. В многослойных оптических покрытиях с чередующимися слоями оксидов с низким и высоким показателем преломления, в которых аморфные плёнки SiO2 играют роль оптических слоев с низким показателем преломления, дефекты SiO2 приводят избыточному поглощению и, в конечном итоге, к снижению порога разрушения покрытия под действием мощного лазерного излучения. В волоконных световодах на основе кварцевого стекла точечные дефекты определяют радиационно-оптическую устойчивость – наведенные радиацией потери, обусловленные электронными состояниями дефектов в запрещенной зоне SiO2. Примесные, а иногда и собственные дефектные состояния SiO2 определяют и запись УФ лазерами Брэгговских решеток в световодах, и свойства волоконных оптических усилителей и лазеров.
К настоящему времени выполнено большое количество исследований свойств собственных и примесных дефектов SiO2. Однако, до недавнего времени при моделировании «разумные» воображаемые дефекты создавались «руками» либо в кристаллах SiO2, либо в кластерах атомов со структурой «похожей» на структуру аморфного SiO2. В последнем случае применялись методы погруженного кластера или оборванные связи на внешней границе кластера насыщались атомами водорода. В обоих приближениях энергия исходной системы локально оптимизировалась методами квантовой механики (химии) путем варьирования положений атомов дефектов, а иногда и атомов их ближайшего окружения. Последовательное применение квантовой механики для получения аморфных состояний SiO2 и его дефектов использовалось редко и в ограниченном виде.
Настоящая работа посвящена новому подходу к моделированию аморфного SiO2 и его дефектов. В этом подходе аморфные состояния получались при моделировании методами квантовой молекулярной динамики процесса расплавления-закалки исходного кристалла. Этот процесс заключается в разогреве кристалла до заданной температуры выше температуры плавления, стабилизации расплава, охлаждения расплава до комнатной температуры и стабилизации полученного состояния. Использовалась лицензионная программа VASP 5.4.4. Получены аморфные состояния стехиометрического и кислородно-дефицитного SiO2 при различных температурах стабилизации расплава. Кислородно-дефицитные состояния моделировались путем расплавления-закалки исходного кристалла с одной или двумя кислородными вакансиями. Описана структура сетки атомов полученных аморфных состояний и структуры обнаруженных в них дефектов, среди которых есть и известные и новые точечные дефекты SiO2. Всего обнаружено 9 дефектов в стехиометрическом SiO2 еще 7 дефектов в кислородно-дефицитном SiO2. Для сравнения приведены результаты моделирования таким же методом аморфных состояний HfO2 и ZrO2, а также свойства полученной тем же методом двухслойной аморфной структуры SiO2–Ta2O5. На основании полученных результатов сделаны общие выводы. Такой подход позволяет естественным образом получать не только низкоэнергетические собственные, но и примесные дефекты аморфных состояний.