66 do i: 1 0. 15 82 6/ ch im te ch .2 01 5. 2. 1. 00 7 Terenteva Yu.V.1, Fomina L.V.2, Beznosyuk S.А.1 1 Altai State University, 61 Lenin street, 656049 Barnaul Fax: +7(385) 266-66-82; Phone: +7(385) 266-66-82; E-mail: bsa1953@mail.ru 2 Angarsk State Technical Academy, 60 Chaikovskogostreet, 665835 Angarsk Fax: +7(3955) 67-17-32; Phone: +7(3955) 67-17-32; E-mail: flvbaan@mail.ru Physicochemical conditions for the stability of manganese-doped nanolayers of gallium arsenide and its isoelectronic analogues In this paper research of stability of nanolayers of manganese doped materi- als of AIIIBV and AIIBIVСV 2 types holding much promise as spintronic semiconduc- tor compounds is described. The method of non-local density functional has been applied to calculate bonding energies {ε ij (r)} in atomic pairs for struc- tures of AIIIBV and AIIBIVСV 2 types and for MnAs. According to the calculations of internal energy, entropy and free energy of Helmholtz (Т = 298 К), in the con- text of used models, addition of manganese to the arsenide’s AIIIBV and AIIBIVСV 2 nanolayers affects its stability in different ways depending on its morphology and substitution mode. However, a critical instability in nanofilm leading to the tendency of growing of a new phase germ may be formed under any manga- nese concentrations. This leads to deterioration of electrophysical parameters of magnetic semiconductor compounds that is agreed with experimental data. © Terenteva Yu. V., Fomina L. V., Beznosyuk S. А., 2015 Introduction One of the rapidly developing areas of solid state physics in the last dec- ade is investigation into the possibility of transferring the spin-oriented electrons from a ferromagnet into a nonmagnetic semiconductor1. This line of research has been called spintronics, which aims at de- veloping devices that can simultaneously control the charge and spin properties of carriers. To create new functional spin- tronic devices it is required to increase allowed ranges of magnetic impurities in semiconductor. The main obstacle for producing saturated with magnetic ions nanolayers of semiconductors is their tendency to separate into the magnetic and semiconducting phase even with a small (about 3–5%) amount of dopants. In order to identify the range of exist- ence of single-phase magnetic semicon- ductor various experimental techniques can be used, for example DTA, XRF, and computer simulation techniques that al- low us to study objects that are for some 68 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta reasons not available for the study with instrumental methods. Computer simula- tion allows us to investigate the stability of nanolayers of semiconductor systems doped with, for example, manganese, by molecular mechanics with the entropy factor that allows us to detect the onset of nucleation of a new phase at the level of a few unit cells. Computer simulation of nanolayer heterostructures AIIIBV doped with manganese Nowadays, the most studied diluted magnetic semiconductors (DMS) are ma- terials Ga1-xMnxAs with x <9.10 wt.% and corresponding heterostructures2. Another promising class of spintronic materials are considered to be semicon- ductor type compounds AIIBIVSV2 mainly possessing the struture of copper pyrites3. For building of exact geometric model of nanostructured layers AIIIBV, MnAs in «Crystals» module of software package HyperChem 6.0, the parameters of crystal cells GaAs, AlAs, InAs, MnAs were used. In the external environment of the isothermal-isochoric thermostat thermo- dynamic resistance of nanofilms with a constant number of atoms of each type is described by the minimality of Helmholtz free energy4. Nanolayers internal energy was determined in the pair of atomic in- teraction5: E S rij ij ij j M i M = == ∑∑12 11 ε ( ) , (1) where M is the total number of atoms in a cluster, Sij is the element of the adjacency matrix of the graph bonds of the atoms, εij is interaction potentials of the i-th to the j-th atoms, rij is interatomic distances. To calculate the parameters {εij (r)} of pair binding energy of atoms in structures AIIIBV MnAs, the method of non-local functional density was used6. In the framework of quantum statis- tical mechanics, entropy of S nanolayer was calcualated in the standard way, namely, by the number of its indistin- guishable transposition of the manganese atoms microstates by formula: S = k ln Ω, (2) where k is Boltzmann constant, Ω is the number of microstates that are indistin- guishable and present a given macroscop- ic state of a nanosystem (statistical weight of the state). For each concentration of the manganese atoms in nanofilms of great- ness Ω defined as the number of options permutation unit cells or clusters contain- ing manganese atoms on the assumption that the structure of a diamond-like lattice of manganese atoms is free to migrate. This allows calculating the number of microstates of the formula for the state of an ideal solution. On the contrary, if we consider the matrix lattice AIIIBV with MnAs inclusions in the lattice, the free movement of manganese atoms is dif- ficult, making it necessary to use in the calculation of the number of microstates of different models of correlated micro- states. Investigation of thermodynamic sta- bility of nanolayers with different con- centration of the manganese atoms was performed at different temperatures rang- ing from cryogenic (the temperature of liquid nitrogen). However, the most in- teresting are the normal conditions under which the natural experiments took place. Therefore, this paper presents an analysis Physicochemical conditions for the stability of manganese-doped nanolayers of gallium arsenide and its isoelectronic analogues 70 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta of the results of numerical experiments at T = 298 K. Structure of GaAs, AlAs, InAs and MnAs were a film with a size 20×20×2 unit cells, which stood at 6400 atoms. As shown by test calculations, this size is quite representative for these nanofilms representativeness, as with an increase in the size, binding energy per atom in the calculation was varied within the error of the computer experiment. For the simulation of small concentrations of dopant atoms instead of AIII, AIIIBV was introduced into the matrix from 48 to 400 atoms of manganese in different ways. 1. Change in the structure of atoms AIII AIIIBV performed while maintaining dia- mond-like structure in the layers (model 1). 2. Replacement of fragments of structures AIIIBV fragmented structure of MnAs. And the change is implemented as a uniform distribution of fragments of the lattice-division MnAs on re-lattice of the semiconductor, as well as with the forma- tion of larger embryos to complete the collection of all manganese incorporated into the structure in a single cluster with the structure of MnAs (model 2). In a study of the mechanical stability of nanostructures compounds we used the method of steepest descent. Relaxation of nanostructures by molecular mechanics was carried out with the use of software “KompNanoTeh” 7. Analysis of the results of computer experiments Calculations of the internal energy, entropy, and Helmholtz free energy (T = 298 K) within the claimed models are that the administration of manganese nanoilms AlAs, GaAs and InAs is differ- ent, affecting their resilience is based on the morphology and substitution model. When over-displaced atoms in a dia- mond-AIII con-figuration of AIIIBV atoms of manganese doped nanolayers energy weakly depends on the morphology of the substitution and is the same for the various cluster sizes. Energy of nanolayer changes only on the number of manga- nese atoms, introduced in the system. For manganese-doped nanolayers AlAs the decrease in stability of the layer with re- spect to clear AlAs is observed. Instabil- ity increases with increase in the number of manganese atoms in the nanolayer. For layers containing clusters with the struc- ture of MnAs size of 2 elementary cells resistance decreases with increase in the number of manganese atoms. This phe- nomenon is explained by the fact that the magnitude of the energy of the in- teratomic bond involving atoms, atoms of aluminum and arsenic exceeds the similar parameter in the case of the manganese atoms and arsenic. Stability of nanolayers AlAs, doped with manganese, increases only in the case of the maximum size of the clusters with the structure of MnAs. This can be explained by the formation of additional bonds within the cluster due to distortion of the structure MnAs. For nanolayers GaAs a different de- pendence in stability of layers is ob- served, depending on the number of man- ganese atoms, the cluster size, containing manganese and structural features of the clusters. For example, for diamond struc- tures, similarly to the case of AlAs, sta- bility depends weakly on the cluster size and morphology distribution, but depends only on the number of manganese atoms imposed on nanolayer. However, doped systems exhibit relative stability com- Terenteva Yu. V., Fomina L. V., Beznosyuk S. А. 72 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta pared to the undoped layer of GaAs, with a tendency to stabilize with the increase in the number of manganese atoms. Un- stable systems with a cluster size of two unit cells of the structure MnAs indicate that the structure with the cluster size is to be re-presenting a diamond nanolayer. For a cluster of 4 unit cells stability of clusters with a diamond-like structure or the structure of the MnAs depends on the number of atoms Mn, introduced in the system topic. For the manganese concen- tration to 1.9 at.% crystallization of the cluster will present a diamond-like struc- ture, but at concentrations of Mn, greater than 1.9 at.%, the crystal structure of the cluster will follow the structure of MnAs, while nanolayer stability of GaAs, doped with manganese, with the dimension of clusters 4 unit cells will raise with in- creasing concentration of Mn. However, the most stable clusters will be nanolay- ers with maximum size at the expense of additional bonds in the cluster with the structure of MnAs. Nanolayers InAs are structures for which the most stable one is a cluster of MnAs with a diamond lattice. The stabil- ity of clusters with a diamond-like struc- ture increases with the concentration of manganese in the system. Clusters with the structure of MnAs and size 2 unit cells tend to decrease with increasing stability of the manganese concentration in the sys- tem. Clusters with the structure of MnAs and the size of 4 unit cells stabilize the system with increasing concentration of manganese, but not enough to form them into the system, because are the most sta- ble system with diamond-like clusters. However, as in the case of nanolayers AlAs and GaAs, doped with manganese, the most stable yet is nanolayers with clusters of maximum size at the expense of additional bonds in the cluster with the structure of MnAs. But the realization of this configuration in the epitaxial layers of the PRM is highly unlikely. Computer simulation-monolayers AIIBIVSV 2 doped with manganese based on the example ZnSnAs 2 Structure ZnSnAs2 and ZnSnAs2: Mn representing a film 20×20×1 dimensions of the unit cells, which amounted to 6400 atoms. In the doped systems administered from 48 to 400 atoms of manganese in different ways. 1. Replacement of Zn and Sn atoms in structures ZnSnAs2 was carried out while maintaining the diamond-like structure in layers (model 1). 2. Replacement of fragments of struc- tures ZnSnAs2 fragmented structure of MnAs. And the change is implemented as a uniform distribution of fragments MnAs lattice on semiconductor lattice and to form larger nuclei, until the complete col- lection of all the manganese introduced into the structure in a single cluster with the structure of MnAs (model 2). 3. The system model is analogous to 1, but only atoms Zn are replaced (model 3). 4. The system, similar to the model 2, but only atoms Zn are replaced (model 4). Structures corresponding to models 1 and 3 do not show respect to the stability of non-alloy system. In this case, structures built on the model of 3 exhibit greater sta- bility. Moreover, the stability decreases with increasing of cluster size and con- centration of manganese. Structures constructed in accordance with the 2 and 4 models, behave differ- Physicochemical conditions for the stability of manganese-doped nanolayers of gallium arsenide and its isoelectronic analogues 74 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta ently in dependence of the size of the cluster. Structures with time-clusters of MnAs measures in 1 and 2 elementary cells exhibit instability concerning non- alloy structures, and structures with a diamond crystal lattice. As the concentra- tion of manganese increases, the stabil- ity of structures decreases. In this case, the lower stability have structures cor- responding to the model structure with 4 clusters in the size of 1-element unit cell is less stable than the structure with a cluster size of 2 elementary cells. When there are 4 unit cells observed, there is stability to non-alloy system. Structures relevant to model 4 are more energy effi- cient compared with structures construct- ed by models 1–3. When the concentra- tion of manganese in the 1.2 at.% (0.79 wt.%), the system is able to move from the structure, co-responsible with the size of model 4 with 4 elementary cells in the system corresponding to the model 2 with integration of cluster MnAs to its maxi- mum size. However, at all concentrations of manganese may form a critical non- stability in nanofilms and the emergence of thermodynamic trend towards growth of the embryo of a new phase of MnAs by model 4, which leads to a deterioration of electro-physical parameters of magnetic semi-conductor. 1. Ivanov V. A., Aminov T. G., Novotorztev V. M., Kalinnikov V. T. Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Chim. 2004; 11:2255–2303. [Google Scholar]. 2. Ohno H. Electrical properties of the patterned Co/Cu/Co sub-micron dots using a probe contact. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2004; 272–276 (Part 1):1443–1445. doi: 10.1016/j.jrnrnrn.2003.12.730. [Google Scholar]. 3. Wolf S. A., Awschalom D. D., Buhrman R. A., Daughton J. M., von Molnar S., Roukes M. L., Chtchelkanova A. Y., Treger D. M. Spintronics: A spin-based electronics vision for the future (Review). Science. 2001; 294(5546):1488–1495. doi: 10.1126/science.1065386. [Google Scholar]. 4. Vasil'evsky A. S., Multanovsky V. V. Statistical Physics and thermodynamic. Moscow: Prosveschenie; 1985. 256 p. [Google Scholar]. 5. Beznosyuk S. A., Potekaev A. I., Zshukovsky M. S., Zshukovskaya T. M., Fomina L. V., Multilevel structure, physico-chemical and informatical properties of substance. Tomsk: NTL: 2005. 264 p. [Google Scholar]. 6. Beznosyuk S. A., Dianov R. D., Kuljanov A. T. International Journal of Quantum Chemistry. 1990; 38(5):691–698. [Google Scholar]. 7. Beznosuyk S. A., Zshukovsky M. S., Vazshenin S. V., Lerh Ya. V. Svidetel'stvo about state registration of program for EVM № 2009613043 from 10 June 2009. [Google Scholar]. Terenteva Yu. V., Fomina L. V., Beznosyuk S. А. 67 У Д К 5 43 .7 :5 46 .2 2/ 24 Ю. В. Терентьева1, Л. В. Фомина2, С. А. Безносюк1 1 Алтайский государственный университет, пр. Ленина, 61, 656049, Барнаул. Факс: (3852) 66-66-82; тел. 8 (3852) 66-66-82; E-mail: bsa1953@mail.ru 2 Ангарская государственная технологическая академия, ул. Чайковского, 60, 665835, Ангарск. Факс: (3955) 67-17-32; тел. (3955) 67-17-32; E-mail: flvbaan@mail.ru Физико-химические условия устойчивости нанослоев арсенида галлия и его изоэлектронных аналогов, легированных марганцем В работе представлено исследование устойчивости нанослоев полупро- водниковых соединений типа AIIIBV и AIIBIVСV 2 легированных марганцем. Для расчета параметров {ε ij (r)}- энергий связей пар атомов в структурах – AIIIBV и AIIBIVСV 2 и MnAs использовался метод нелокального функционала плотно- сти. Расчеты внутренней энергии, энтропии и свободной энергии Гельмголь- ца (Т = 298 К) в рамках заявленных моделей свидетельствуют о том, что введение марганца в нанопленки арсенидов AIIIBV и AIIBIVСV 2 по-разному ска- зывается на их устойчивости в зависимости от морфологии и модели заме- щения. Однако при любых концентрациях марганца возможно образование критической неустойчивости в нанопленке и появление термодинамической тенденции в сторону роста зародыша новой фазы MnAs, что ведет к ухудше- нию электрофизических параметров магнитного полупроводника в согласии с экспериментальными данными. © Терентьева Ю. В., Фомина Л. В., Безносюк С. А., 2015 Введение Одним из активно развиваю- щихся направлений физики твердого тела в последние десятилетия является исследование возможности переноса спин-ориентированного электрона из ферромагнетика в немагнитный по- лупроводник [1]. Данное направле- ние исследований получило название спинтроники, целью которой являет- ся разработка устройств, способных одновременно управлять зарядовыми и спиновыми свойствами носителей. 69 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta Физико-химические условия устойчивости нанослоев арсенида галлия и его изоэлектронных аналогов, легированных марганцем Для создания новых функциональных спинтронных устройств требуется расширение допустимого диапазона содержания магнитных примесей в матрице полупроводника. Основным препятствием для получения насыщен- ных магнитными ионами полупровод- никовых нанослоев является их тен- денция к расслоению на магнитную и полупроводниковую фазы уже при не- большом (порядка 3–5 %) количестве легирующих добавок. Для выявления диапазона существования однофазно- го магнитного полупроводника могут использоваться различные экспери- ментальные методы, например ДТА, РФА, а также методы компьютерного моделирования, которые позволяют исследовать объекты, по каким-либо причинам недоступные для исследо- вания инструментальными методами. Компьютерное моделирование позво- ляет исследовать устойчивость на- нослоев полупроводниковых систем, легированных, например, марганцем, методом молекулярной механики с учетом энтропийного фактора, что позволяет обнаружить начало зароды- шеобразования новой фазы на уровне нескольких элементарных ячеек. Компьютерное моделирование нанослоевых гетероструктур AIIIBV, допированных марганцем На сегодняшний день наиболее изученными разбавленными маг- нитными полупроводниками (РМП) являются материалы Ga1-xMnxAs с х < 9–10 мас.% и гетероструктуры со- ответствующего состава [2]. Еще одним перспективным классом спинтронных материалов считаются полупроводниковые соединения типа AIIBIVСV2, в основном обладающие структурой халькопирита [3]. Для по- строения точной геометрической мо- дели наноструктурных слоев AIIIBV, MnAs в модуле Crystals программного пакета HyperChem 6.0 использованы параметры ячеек кристаллов GaAs, AlAs, InAs, MnAs. Во внешних условиях изотермиче- ского-изохорического термостата тер- модинамическая устойчивость нано- пленок с постоянным числом атомов каждого сорта описывается минималь- ностью свободной энергии Гельмголь- ца [4]. Внутренняя энергия нанослоя была определена в приближении пар- ных атомных взаимодействий [5]: E S rij ij ij j M i M = == ∑∑12 11 ε ( ) , (1) где M – общее число атомов кластера, Sij – элемент матрицы смежности графа связей атомов, εij – потенциалы взаи- модействия i-го с j-м атомов, rij – меж- атомные расстояния. Для расчета параметров {εij (r)} энергии связи пар атомов в структу- рах AIIIBV и MnAs использовался метод нелокального функционала плотности [6]. В рамках квантовой статистической механики энтропия S нанослоя опреде- лялась стандартно, а именно числом ее неразличимых по перестановке атомов марганца микросостояний по формуле: S = k ln Ω, (2) где k – постоянная Больцмана, Ω явля- ется числом микросостояний, которые неразличимы и представляют заданное макроскопическое состояние наноси- 71 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta стемы (статистический вес состояния). Для каждой концентрации атомов мар- ганца в нанопленке величина Ω опре- делялась как количество вариантов перестановки элементарных ячеек или кластеров, содержащих атомы мар- ганца, исходя из предположения, что в структуре с алмазоподобной решет- кой атомы марганца могут свободно мигрировать. Это позволяет исполь- зовать для расчета количества микро- состояний формулы для состояния идеального раствора. Напротив, если рассматривать матрицу решетки AIIIBV с включениями зародышей решетки MnAs, свободное движение атомов марганца затруднено, что приводит к необходимости использовать в расче- те числа микросостояний различные модели коррелированных микрососто- яний. Исследование термодинамической устойчивости нанослоев с различной концентрацией атомов марганца было выполнено для различных температур, начиная от криогенных (температур жидкого азота). Однако наибольший интерес представляют нормальные ус- ловия, при которых были выполнены натурные эксперименты. Поэтому в настоящей работе представлен анализ результатов численных экспериментов при Т = 298 K. Структуры GaAs, AlAs, InAs и MnAs представляли собой пленки с размерами 20×20×2 элементарных ячеек, что составило 6400 атомов. Как показали тестовые расчеты, такой раз- мер нанопленки является вполне пре- зентативным для рассматриваемых соединений, так как при увеличении ее размера энергия связи в расчете на атом изменялась в пределах ошибки компьютерного эксперимента. Для моделирования малых концентраций допанта вместо атомов AIII в матрицу AIIIBV было введено от 48 до 400 ато- мов марганца разными способами. 1. Замена атомов AIII в структурах AIIIBV осуществлялась при сохранении алмазоподобной структуры в слоях (модель 1). 2. Замена фрагментов структур AIIIBV на фрагменты структуры MnAs. Причем замена осуществлялась как с равномерным распределением фраг- ментов решетки MnAs по решетке по- лупроводника, так и с образованием более крупных зародышей, до полного собирания всего марганца, введенно- го в структуру, в единый кластер со структурой MnAs (модель 2). В исследовании механической устой- чивости наноструктур соединений ис- пользован метод наискорейшего спу- ска. Релаксация наноструктур методом молекулярной механики проводилась с использованием средств программного комплекса «КомпНаноТех» [7]. Анализ результатов компьютерных экспериментов Расчеты внутренней энергии, эн- тропии и свободной энергии Гель- мгольца (Т = 298 K) в рамках заявлен- ных моделей свидетельствуют о том, что введение марганца в нанопленки AlAs, GaAs и InAs по-разному сказыва- ется на их устойчивости в зависимости от морфологии и модели замещения. При замещении атомов AIII в алмазопо- добной конфигурации AIIIBV на атомы марганца энергия допированных на- нослоев слабо зависит от морфологии Терентьева Ю. В., Фомина Л. В. , Безносюк С. А. 73 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta замещения и оказывается фактически одинаковой для кластеров различного размера. Энергия нанослоя изменяется лишь от количества атомов марганца, введенных в систему. Для нанослоев AlAs, допированных марганцем, на- блюдается снижение устойчивости слоя относительно чистого AlAs. Не- устойчивость возрастает с увеличени- ем числа атомов марганца в нанослое. Для слоев, содержащих кластеры со структурой MnAs размером в 2 элемен- тарные ячейки, устойчивость снижает- ся с увеличением числа атомов марган- ца. Данное явление объясняется тем, что величина энергии межатомной связи с участием атомов алюминия и мышьяка превышает аналогичный па- раметр в случае атомов марганца и мы- шьяка. Устойчивость нанослоев AlAs, допированных марганцем, возрастает только в случае максимального разме- ра кластеров со структурой MnAs. Это можно объяснить образованием допол- нительных связей внутри кластера за счет искажения структуры MnAs. Для нанослоев GaAs наблюдается иная зависимость устойчивости слоев в зависимости от числа атомов мар- ганца, размера кластеров, содержащих марганец и структурных особенностей кластеров. Так, для алмазоподобных структур, аналогично случаю с AlAs, устойчивость слабо зависит от размера кластеров и морфологии их распреде- ления, а зависит только от количества атомов марганца, введенных в нано- слой. Однако допированные системы проявляют относительную устойчи- вость по сравнению с недопированным слоем GaAs, с тенденцией стабилиза- ции с увеличением числа атомов мар- ганца. Нестабильность систем с разме- ром кластера в 2 элементарные ячейки со структурой MnAs свидетельствуют о том, что структуры с таким размером кластера будут представлять собой ал- мазоподобные нанослои. Для кластера в 4 элементарные ячейки устойчивость кластеров с алмазоподобной структу- рой или со структурой MnAs зависит от количества атомов Mn, введенных в систему. Для концентрации марганца до 1,9 атм.% кристаллизация кластера будет представлена алмазоподобной структурой, но при концентрациях Mn, превышающих 1,9 атм.%, кристалли- ческая структура кластера будет соот- ветствовать структуре MnAs, причем устойчивость нанослоя GaAs, допи- рованного марганцем, с размерностью кластера в 4 элементарные ячейки бу- дет возрастать с ростом концентрации Mn. Однако наиболее устойчивыми окажутся нанослои с кластерами мак- симального размера за счет дополни- тельных связей внутри кластера со структурой MnAs. Нанослои InAs представляют со- бой структуры, для которых наиболее устойчивой оказывается кластер MnAs с алмазоподобной решеткой. Устой- чивость кластеров с алмазоподобной структурой возрастает с ростом кон- центрации марганца в системе. Кла- стеры со структурой MnAs и разме- ром в 2 элементарные ячейки имеют тенденцию к снижению устойчивости с ростом концентрации марганца в си- стеме. Кластеры со структурой MnAs и размером в 4 элементарные ячейки стабилизируют систему с ростом кон- центрации марганца, но недостаточ- но для образования их в системе, т. к. наиболее устойчивыми оказываются системы с алмазоподобными кластера- Физико-химические условия устойчивости нанослоев арсенида галлия и его изоэлектронных аналогов, легированных марганцем 75 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta ми. Однако, как и в случае нанослоев AlAs и GaAs, допированных марган- цем, наиболее устойчивыми все же окажутся нанослои с кластерами мак- симального размера за счет дополни- тельных связей внутри кластера со структурой MnAs. Но реализация та- кой конфигурации в эпитаксиальных слоях этих РПМ весьма маловероятна. Компьютерное моделирование нанослоев AIIBIVСV 2 , легированных марганцем, на примере ZnSnAs 2 Структуры ZnSnAs2 и ZnSnAs2:Mn представляли собой пленки размерами 20х20х1 элементарных ячеек, что со- ставило 6400 атомов. В легированные системы введено от 48 до 400 атомов марганца разными способами. 1. Замена атомов Zn и Sn в струк- турах ZnSnAs2 осуществлялась при со- хранении алмазоподобной структуры в слоях (модель 1). 2. Замена фрагментов структур ZnSnAs2 на фрагменты структуры MnAs. Причем замена осуществлялась как с равномерным распределением фрагментов решетки MnAs по решетке полупроводника, так и с образовани- ем более крупных зародышей, вплоть до полного собирания всего марганца, введенного в структуру в единый кла- стер со структурой MnAs (модель 2). 3. Система, аналогичная модели 1, но замещаются только атомы Zn (мо- дель 3). 4. Система, аналогичная модели 2, но замещаются только атомы Zn (мо- дель 4). Структуры, соответствующие моде- лям 1 и 3, не проявляют стабильности относительно нелегированной систе- мы. При этом наибольшую стабиль- ность проявляют структуры, построен- ные по модели 3. Причем стабильность падает с увеличением размера класте- ра и концентрации марганца. Структуры, построенные согласно моделям 2 и 4, ведут себя по-разно- му в зависимости от размера класте- ра. Структуры с размерами кластеров MnAs в 1 и 2 элементарных ячейки проявляют нестабильность относи- тельно нелегированной структуры и структур с алмазоподобной кристалли- ческой решеткой. С ростом концентра- ции марганца стабильность структур уменьшается. При этом наименьшей стабильностью обладают структуры, соответствующие модели 4. Струк- тура с кластерами размером в 1 эле- ментарную ячейку оказывается менее стабильной, чем структура с размером кластера в 2 элементарных ячейки. При размере кластера в 4 элементар- ные ячейки уже наблюдается стабиль- ность относительно нелегированной системы. Структуры, соответствую- щие 4 модели, энергетически более выгодны по сравнению со структура- ми, построенными по моделям 1–3. При концентрации марганца в системе 1,2 атм.% (0,79 мас.%) система способ- на перейти от структуры, соответству- ющей модели 4 с размером кластера в 4 элементарных ячейки, в систему, отвечающую модели 2 с укрупнени- ем кластера MnAs до максимального размера. Однако при любых концен- трациях марганца возможно образо- вание критической неустойчивости в нанопленке и появления термодина- Терентьева Ю. В., Фомина Л. В. , Безносюк С. А. 77 № 1 | 2015 Chimica Techno Acta мической тенденции в сторону роста зародыша новой фазы MnAs по типу модели 4, что ведет к ухудшению элек- трофизических параметров магнитно- го полупроводника. 1. Иванов В. А., Аминов Т. Г., Новоторцев В. М., Калинников В. Т. // Известия Ака- демии наук. Серия химическая. 2004. № 11. С. 2255–2303. 2. Ohno H. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004. V. 272–276. Part 1. P. 1. 3. Wolf S. A., Awschalom D. D., Buhrman R. A., Daughton J. M., von Molnár S., Roukes M. L., Chtchelkanova A. Y., Treger D. M. // Science. 2001. V. 294, N 5546. P. 1488– 1495. 4. Васильевский А. С., Мултановский В. В. Статистическая физика и термодина- мика. М.: Просвещение, 1985. 256 с. 5. Безносюк С. А., Потекаев А. И., Жуковский М. С., Жуковская Т. М., Фоми- на Л. В. Многоуровневое строение, физико-химические и информационные свойства вещества. Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 264 с. 6. Beznosjuk S. A., Dajanov R. D., Kuljanov A. T. // International. Journal of Quantum Chemistry. 1990. V. 38, N 5. P. 691–698. 7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009613043 от 10 июня 2009 г. // С. А. Безносюк, М. С. Жуковский, С. В. Важенин, Я. В. Лерх. Физико-химические условия устойчивости нанослоев арсенида галлия и его изоэлектронных аналогов, легированных марганцем 1099-2582-1-PB 1099-2583-1-PB