Ab Initio Calculation of the Interaction of an Edge Dislocation with Transition Metal Impurity Atoms in Silicon

Abstract

Проведено першопринципний розрахунок взаємодії крайової дислокації з домішковими атомами перехідних металів Cr, Mn, Fe, Co, Ni та Cu поблизу ядра дислокації в надкомірці зі 180 атомів кремнію. Розрахунок проведено методом функціоналу густини в узагальненому градієнтному наближенні за допомогою пакету програм ABINIT. Отримано криві взаємодії домішкових атомів з крайовою дислокацією в кремнії. Форма кривих взаємодії відповідає потенціалу Ленарда-Джонса. Встановлено рівноважні положення домішкових атомів поблизу ядра дислокації. Обраховані та проаналізовані енергії зв’язку домішок Cr, Mn, Fe, Co, Ni та Cu з крайовою дислокацією в кремнії. Отримано електронну структуру надкомірки зі 180 атомів кремнію, що містить диполь з двох крайових дислокацій та домішкові атоми Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu поблизу ядер дислокацій. Обговорені загальні особливості електронних спектрів для всіх домішкових атомів. Встановлено, що завдяки наявній дефектній структурі надкомірки з'являються додаткові стани в забороненій зоні для всіх домішок, зокрема, для домішок Ni і Cu, в забороненій зоні спостерігається гострий напівзаповнений домішковий пік. Інтенсивність та тонка структура домішкових піків залежать від типу домішки та її розташування в області дислокаційного ядра. Обговорена можливість формування магнітного впорядкування на обірваних зв'язках в ядрі крайової дислокації та перехідних металах Ni, Cu поблизу ядра дислокацій в кремнії.

The first-principle calculation of the interaction of an edge dislocation with transition metal impurities Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu in a supercell composed of 180 Si atoms is presented. The density functional theory in the general gradient approximation using the ABINIT software package has been used for numerical calculation. The interaction curves of edge dislocations with impurity atoms in silicon are obtained. The shape of the interaction curves corresponds to the Lennard-Jones potential. The equilibrium positions of impurity atoms in the vicinity of the edge dislocation cores are obtained. The binding energy of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu impurity atoms with an edge dislocation in silicon is calculated and analyzed. The electronic structure of the supercell with a dipole of two edge dislocations with Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu impurities is presented. The general features of the electronic spectra for all impurity atoms are discussed. Due to the existing defective structure of the supercell, additional states appear in the band gap for all impurities, in particular, for Ni and Cu impurities, a sharp half-filled impurity peak is observed in the band gap. The intensity and fine structure of impurity peaks vary depending on the type of impurity and its position. The possibility of magnetic ordering on the dislocation core dangling bonds and Ni, Cu impurity atoms in the vicinity of the edge dislocation core has been discussed.