Взаимные расположения атомов в расплавах пниктогенов обнаруживают универсальные особенности, а квазистабильные структуры в них образуются по единому сценарию. Ученые Института физики Казанского федерального университета доказали существование в жидких пниктогенах (мышьяке, сурьме и висмуте) квазистабильных структур – короткоживущих цепочек атомов, которые делают среду более упорядоченной на атомарном уровне по сравнению с обычными жидкостями.

От строения и пространственного расположения этих цепочек зависит то, как будет происходить процесс затвердевания, и, следовательно, получаемого твердого материала. Понимание структуры расплавов пниктогенов имеет значение при изготовлении на их основе устройств электроники.

Исследование поддержано грантом Академии наук Республики Татарстан, результаты опубликованы в Journal of Non-Crystalline Solids. В авторский коллектив вошли трое исследователей кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики КФУ – заведующий кафедрой, профессор Анатолий Мокшин, доцент Булат Галимзянов и ассистент Артем Цыганков.

Мышьяк, сурьма и висмут представляют собой металлы серебристого цвета, которые активно используются в качестве компонентов полупроводниковой промышленности. При этом кристаллы для полупроводников на основе этих веществ создаются из жидкой фазы.

Ученые исследовали структурные особенности жидких пниктогенов с помощью первопринципной (ab-initio) молекулярной динамики и последующего анализа распределений кристаллической орбитальной гамильтоновой популяции в обнаруженных образованиях. В рамках такого подхода численно решаются уравнения Шредингера, что позволяет получать достоверную информацию о локальной структуре вещества без применения сложных дорогостоящих экспериментов.

Авторы обнаружили, что квазистабильные структуры в жидких пниктогенах образуются по единому сценарию за счет электронных p-орбиталей. Также путем анализа зависимости полной энергии структур от ее размера было обнаружено уменьшение стабильности структуры с увеличением ее размера. Этот результат позволяет рассматривать такие жидкости с точки зрения двух конкурирующих процессов: кристаллизации и теплового движения атомов, которое этому препятствует.

Численные расчеты подтвердили, что жидкие пниктогены отличаются от обычных жидкостей наличием квазистабильных структур. Понимание внутренних процессов, происходящих на атомарном уровне, позволит создавать соединения с улучшенными электрическими свойствами. Кроме того, эти данные могут помочь при подборе протокола изготовления соединений с жестко заданными характеристиками и их анализе как экспериментальными методами, так и методами компьютерного моделирования.

Сегодня методы квантовомеханического моделирования молекулярной динамики активно используются для определения структуры как кристаллических твердых тел, так и жидкостей. Однако в случае жидких пниктогенов возникает задача получения достоверной информации о локальной структуре расплавов, где присутствуют аномальные включения. Следует отметить, что в ходе работы был применен оригинальный метод временного анализа, в котором квантово-механические расчеты сопровождаются трактовкой обнаруживаемых аномальных образований как носителей кристаллической фазы.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ.