Исходя из парного межатомного потенциала Ми−Леннарда-Джонса и модели кристалла Эйнштейна получены уравнение состояния и барические зависимости решеточных свойств для различных полиморфных модификаций кремния и германия. Показано, что для полупроводниковой фазы лучшие результаты получаются при использовании межатомного потенциала упругого типа, а для металлизированных фаз -при использовании межатомного потенциала пластичного типа, глубина потенциальной ямы которого намного меньше. Рассчитаны барические зависимости решеточных свойств вдоль изотермы 300 K и оценены скачки свойств при фазовом переходе из алмазной структуры в структуру β-Sn как для кремния, так и для германия. Получено хорошее согласие с экспериментальными данными.Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-03-00041_а и программы Президиума РАН (программа № I.11П (1)
ВведениеИзвестно [1-12], что при сжатии кремния или гер-мания наблюдается фазовый переход (ФП) первого рода, при котором алмазная структура (Si I или Ge I) переходит в объемно центрированную тетрагональную структуру β-Sn (Si II или Ge II). При этом межатом-ные связи в Si и Ge переходят из ковалентного типа в металлический. При дальнейшем сжатии структура β-Sn переходит в другие более плотные полиморфные модификации. И хотя было предложено много теорети-ческих методов расчета уравнения состояния различных кристаллических модификаций Si и Ge [8][9][10][11][12], природа барической металлизации не вполне ясна. В частности, неясна природа необратимости ФП из алмазной струк-туры (cd-фаза) в структуру β-Sn (tin-фаза).Используемые для изучения уравнения состояния дан-ных фаз различные (как численные, так и аналитиче-ские) методы содержат в своем формализме подгоноч-ные константы, которые лишены физического смысла. В связи с этим остается неясным постоянство этих констант при сжатии либо нагреве. Это делает резуль-таты, полученные такими методами, неоднозначными и не позволяет изучить природу барической металлизации полупроводников. В частности, до сих пор не изучены изменения решеточных свойств при ФП cd → tin как для кремния, так и для германия.В настоящей работе предложен сравнительно простой метод расчета зависимости давления P от объема V и температуры T , который не содержит никаких подго-ночных постоянных. На основе этого метода изучены барические зависимости решеточных свойств различных полиморфных модификаций Si и Ge. Полученные резуль-таты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.
Метод расчета решеточных свойств кристаллаПредставим парное межатомное взаимодействие в кристалле однокомпонентного вещества в виде потен-циала Ми−Леннарда-Джонса, имеющего видгде D и r 0 -глубина и координата минимума потенци-ала, b > a ≥ 1 -параметры. Тогда температуру Дебая можно определить с помо-щью выражения [13,14] где k B -постоянная Больцмана, функция A w возникает из-за учета энергии " нулевых колебаний" атомов в кристалле,m -масса атома, -постоянная Планка, k n -первое координационное число, c = [6k p V /(πN)] 1/3 -рассто-яние между центрами ближайших...