Jäähdytysnopeuden vaikutus amorfisen indiumoksidin järjestyneisyyteen

Abstract

Amorfinen indiumoksidi on laajasti puolijohdeteollisuudessa käytetty materiaali, jonka ominaisuuksiin kuuluvat hyvän sähkönjohtokyvyn lisäksi mm. hyvä läpinäkyvyys näkyvän valon aallonpituuksilla ja matalan lämpötilan vaativa käsittely. Seostamattoman ja stoikiometrisen indiumoksidin (In2O3) sähkönjohtokyvyn on kokeellisesti havaittu kasvavan rakenteen muuttuessa kiteisestä amorfiseksi. Ilmiön teoreettista selitystä voidaan tutkia ab initio -molekyylidynaamisilla (MD) simulaatioilla tarkastelemalla amorfisen indiumoksidin lokaaleja rakenteita erilaisilla kiteisyysosuuksilla. Tutkielmassa tarkastellaan ab initio MD simulaatioiden taustalla vaikuttavia teorioita, kuten tiheysfunktionaaliteoriaa (DFT) ja pseudopotentiaaleja. Tutkielmassa tutustutaan myös MD simulaatioita suorittavan VASP-ohjelmiston keskeisimpiin menetelmiin, joita käytetään aaltofunktioiden optimointiin ja tilojen miehitysten määrittämiseen. Tämän lisäksi tutkielmassa tarkastellaan amorfiselle indiumoksidille VASP-ohjelmalla suoritettua laskennallista tutkimusta, jossa amorfista rakennetta jäähdytettiin eri suuruisilla jäähdytysnopeuksilla erilaisten kiteisyysosuuksien mallintamiseksi. Simulaatioiden tulosten pohjalta havaittiin amorfisen indiumoksidin lokaalien polyedrojen muodostavan eniten yhteiskulmaisia rakenteita niillä jäähdytysnopeuksilla, joita vastaavilla kokeellisilla tuloksilla amorfisen indiumoksidin sähkönjohtokyky oli suurin. Tuloksista havaittiin myös yhteiskulmaisten rakenteiden osuuden jäävän laskennallisessa tutkimuksessa pienemmäksi kuin vastaavissa, aikaisemmissa amorfiselle indiumoksidille suoritetuissa ab initio MD simulaatioissa.