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Forschungsprojekt

Piezospektroskopie und ab initio-Rechnungen an Kohlenstoff-Sauerstoff-Komplexen in Galliumarsenid

Prof. Dr. Hans Christian Alt
Fakultät für Angewandet Naturwissenschaften und Mechatronik


Projektbeschreibung:
Kohlenstoff-Sauerstoff- (C-O) und Bor-Sauerstoff-Komplexe (B-O) in Galliumarsenid (GaAs) sollen mittels Piezospektroskopie im Mittelinfraroten untersucht werden. Hintergrund ist das Interesse an den Wechselwirkungen zwischen leichten Elementen, die als Fremdatome in kommerziell verfügbarem GaAs, das nach dem Czochralski-Verfahren (LEC) oder nach dem vertikalen Bridgman-Verfahren (VGF) gezüchtet werden, entweder verfahrensbedingt vorkommen oder zur Einstellung bestimmter elektrischer Eigenschaften absichtlich zugegeben werden. Die mikroskopische Struktur der benannten Spezies ist nicht bekannt. Unter uniaxialem Druck in den kristallographischen Richtungen [100]-, [110]- und [111] spalten die vibronischen Übergänge, d. h. die mit FTIR-Spektroskopie im Bereich von 1800 - 2100 cm-1 zu beobachtenden Absorptionsbanden, auf, da die Orientierungsentartung ganz oder teilweise aufgehoben wird. Anhand der Aufspaltungsmuster lässt sich eindeutig die Punktsymmetrie der Defekte bestimmen. Ergänzend werden Rechnungen zu den Eigenschaften des C-O-Komplexes auf der Grundlage der Dichtefunktionaltheorie durchgeführt werden. Hierbei sollen der energetisch günstigste Ladungszustand in Abhängigkeit von der Fermi-Energie wie auch die zugehörigen Schwingungsfrequenzen berechnet werden. Aus dem Vergleich zwischen Experiment und Theorie wird ein Vorschlag zur Defektstruktur des C-O-Komplexes in Galliumarsenid entwickelt.


Zusammenfassung der Projektergebnisse:
Der Defekt, die die Ursache für die 2060 cm^-1-Absorptionsbande in GaAs ist, konnte im Projekt bezüglich der chemischen Zusammensetzung und Struktur vollständig aufgeklärt werden. Die ursprüngliche Zuordnung zu einem (C, O)-Komplex stellte sich hinsichtlich der Beteiligung von Sauerstoff als Fehlinterpretation heraus, die auf die scheinbare Korrelation mit dem O-Gehalt in den Kristallen zurückzuführen ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Komplex durch eine Koimplantation von C und N in hochreine GaAs-Substrate erzeugt werden kann. Die charakteristische 2060 cm-^1-Bande ist schon unmittelbar nach der Implantation in den Proben IR-spektroskopisch mit vergleichsweise hoher Intensität nachzuweisen. Die Implantationsmethode erlaubt in eleganter Weise die Klärung der noch offenen Fragen der chemischen Zusammensetzung des Komplexes durch den Einsatz der Stickstoffisotope 14N und 15N. Das Ergebnis lässt eindeutig die Identifikation als lineares molekülartiges Gebilde der Zusammensetzung CN2 (N-C-N) zu, das in <100>-Richtung orientiert ist - mit dem C-Atom als Massenzentrum auf dem Anionenplatz. Die hohe Schwingungsfrequenz von 2060 cm^-1 muss der asymmetrischen Streckschwingung einer durch eine starke C-N- Wechselwirkung geprägten Einheit zugeordnet werden. Ein weiterer (C, N)-Komplex tritt nach Implantation auf, der sich durch eine Schwingungsbande bei 1972 cm^-1 zeigt. Er besitzt offensichtlich die chemische Zusammensetzung CN und ist thermisch nicht so stabil wie der CN2-Komplex. Die Symmetrie dieses Komplexes konnte im Rahmen des Projekts noch nicht aufgeklärt werden. Die LDA-Rechnungen hatten zum Ziel ursprünglich in Erwägung gezogene (C, O)-korrelierte Komplexe hinsichtlich ihrer energetischen Stabilität, ihrer Symmetrie und der sich ergebenden LVM-Frequenzen zu analysieren. Bedingt durch den hohen Rechenaufwand konnten im Rahmen des Projekts nur die Komplexe CO, CO2 und CO4 untersucht werden. Aus den Ergebnissen konnte – in Konsistenz mit dem Experiment - die Schlussfolgerung gezogen werden, dass darunter kein Komplex zu finden ist, welcher in Struktur und LVM-Frequenzen mit dem experimentell gemessenen Daten übereinstimmt.


Das Forschungsprojekt wurde von 2011 bis 2014 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.


Mehr Informationen sind auf der DFG-Seite GEPRIS zu finden.