Materials of Electronics Engineering (E-Journal) / Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники
Not a member yet
466 research outputs found
Sort by
Моделирование времени до пробоя пористого диэлектрика в системе металлизации интегральных схем современного топологического уровня
Get PDFIn this work, the simulation of the processes of diffusion of metal barrier ions into a low-k dielectric between two nearby copper lines was performed. Based on experimental data on the diffusion coefficient published in the scientific literature and calculations according to the mathematical model of the distribution of metal barrier ions in the dielectric, the time dependent breakdown of a porous low-k dielectric in the elements of very large-scale integrated circuits of the modern topological level was estimated. Additionally, the work obtained dependences of the dielectric breakdown time on the distance between two nearby copper lines along with dependence on the supply voltage of the line (the other line is grounded).В работе выполняется имитационное моделирование процессов диффузии ионов металлического барьера в low-k диэлектрик между двумя близлежащими медными линиями. На основании экспериментальных данных по коэффициенту диффузии, опубликованных в научной литературе, и расчетов согласно математической модели распределения ионов металлического барьера в диэлектрике проведена оценка времени до пробоя пористого low-k диэлектрика в элементах сверхбольших интегральных схемах современного топологического уровня. Дополнительно, в работе получены зависимости времени пробоя диэлектрика от расстояния между двумя близлежащими медными линиями, а также в зависимости от напряжения питания линии (другая линия заземлена)
Памяти Андрея Георгиевича Казанского (01.09.1946–27.07.2021)
Get PDFEditorial article27 июля 2021 г. ушел из жизни член редколлегии нашего журнала Андрей Георгиевич Казанский — выдающийся ученый, доктор физико-математических наук, профессор, признанный специалист в области физики неупорядоченных полупроводников, фотовольтаики и фотоники
Интерфейсы научных сервисов системы моделирования новых материалов на цифровой платформе
Get PDFThe paper deals with the formation of system interfaces of a digital platform for managing the process of providing scientific services, including the integration of scientific services for solving a complex research problem, for example, multiscale modeling of the properties of new materials or conducting interdisciplinary research. On the basis of the functional structure of the integration of scientific services of a digital platform (in relation to multiscale modeling) presented in the work, requirements for the system interface are formulated, and the architecture of the system interface for the integration of scientific services of a digital platform is proposed. The proposed model of a system interface for information interaction with services and datasets of a digital platform in management processes for the provision of scientific services is based on modern solutions for managing virtual infrastructure, based on container processing technologies and microservices, as well as container orchestration and communication (service mesh), flexible technologies (agile) integration. Taking into account that the main function of the digital platform is to provide processes for the preparation and conduct of research by formalizing the interaction scenarios of researchers, suppliers (sources) of initial data, consumers of the results, along with tools for supporting system interfaces to the catalogs of the digital platform, the project offers means for organizing the interaction of services, registered on the platform in order to ensure the execution of scientific research. Synchronization of the processes of providing services, ensuring the transfer of data between services and obtaining the final result are also ensured by implementing the control processes of the digital platform, which is based on the proposed system interface. The developed model of system interfaces is new in the work. The proposed interaction interface allows you to effectively consolidate high-performance computing resources and mathematical models based on digital platform technologies. This is especially important for organizing the solution of multiscale modeling problems as a complex of models, each of which operates on the same space-time scale.Рассмотрены вопросы формирования системных интерфейсов цифровой платформы для управления процессом оказания научного сервиса, включающего, в том числе, интеграцию научных сервисов для решения комплексной исследовательской задачи, например многомасштабного моделирования свойств новых материалов или проведения междисциплинарных исследований. На основе приведенной в работе функциональной структуры интеграции научных сервисов цифровой платформы (применительно к многомасштабному моделированию) сформулированы требования к системному интерфейсу, а также предложена архитектура системного интерфейса интеграции научных сервисов цифровой платформы. Предложена модель системного интерфейса для информационного взаимодействия с сервисами и наборами данных цифровой платформы в процессах управления процессом оказания научных сервисов. Эта модель основывается на современных решениях управления виртуальной инфраструктурой, которая базируется на технологиях контейнерной обработки и микросервисов, а также средств оркестровки и коммуникации контейнеров (service mesh), технологиях гибкой (agile) интеграции. Основной функцией такой цифровой платформы является обеспечение процессов подготовки и проведения исследований за счет формализации сценариев взаимодействия исследователей, поставщиков (источников) исходных данных, потребителей результатов, наряду с инструментами поддержки системных интерфейсов цифровой платформы. В проекте предложены средства организации взаимодействия сервисов, зарегистрированных на платформе, с целью обеспечения выполнения научного исследования. Синхронизация процессов предоставления услуг, обеспечение передачи данных между сервисами и получение конечного результата также реализуются за счет процессов управления цифровой платформы, в основе которой лежит предложенный системный интерфейс. Впервые разработана модель системных интерфейсов. Предложенный интерфейс взаимодействия позволяет эффективно консолидировать высокопроизводительные вычислительные ресурсы и математические модели на основе технологий цифровой платформы. Это особенно актуально для организации решения задач многомасштабного моделирования как комплекса моделей, каждая из которых функционирует в одном пространственно-временном масштабе
Оценка загрузки гибридного вычислительного комплекса при выполнении задач моделирования в материаловедении
Get PDFThe article is devoted to methods of calculation and evaluation of the efficiency of functioning of hybrid computing systems. Material science software systems demonstrate maximum efficiency when operating on hybrid computing systems when using graphics accelerators for calculations. Examples include the VASP (The Vienna Ab initio Simulation Package) and Quantum ESPRESSO software systems. These software systems are most efficient when using monopolistic computing resources: RAM, CPU, GPU.When operating a hybrid high-performance cluster, the problem arises of resource management and their division between a group of users. Technologies need to be developed that ensure the allocation of resources to materials science applications for different users and research teams. The modern approach to organizing the computing process is the use of virtualization and cloud technologies. Cloud technologies enable the provision of SaaS and PaaS services to users. It is advisable to provide scientific teams with applied materials science systems as cloud services.Such diverse approaches, when applied in a single computer complex, require the development of methods for optimizing the load on the resources of a high-performance complex, assessing the efficiency of using its computational capabilities, and developing methods for improving user programs.Determining the quality of the complex loading is an important task when providing high-performance computing services to research teams performing interdisciplinary research in various fields of science and technology. The article proposes a method for calculating the value of the load value using the peak performance values of the complex. The results and performance quality of high performance computing cloud scientific services are analyzed using a Roofline model.Статья посвящена методикам расчета и оценке эффективности функционирования гибридных вычислительных систем. Программные системы материаловедения демонстрируют максимальную эффективность при функционировании именно на гибридных вычислительных системах при использовании графических ускорителей для проведения расчетов. В качестве примера можно привести программные системы VASP (The Vienna Ab initio Simulation Package) и Quantum ESPRESSO. Эти программные системы проявляют наибольшую эффективность при монопольном использовании вычислительных ресурсов: RAM, CPU, GPU.При эксплуатации гибридного высокопроизводительного комплекса возникает задача управления ресурсами и разделения их между группой пользователей. Необходимо разработать технологии, которые обеспечивают выделение ресурсов приложениям материаловедения для разных пользователей и научных коллективов.Современным подходом в организации вычислительного процесса является использование технологий виртуализации и облачных технологий. Облачные технологии позволяют предоставлять пользователям услуги SaaS и PaaS. Целесообразно предоставлять научным командам прикладные системы материаловедения как облачные сервисы. Такие разноплановые подходы в условиях применения в одном вычислительном комплексе требуют выработки методов по оптимизации загрузки ресурсов высокопроизводительного комплекса, оценке эффективности использования его вычислительных возможностей и выработке методики совершенствования пользовательских программ.Определение качества загрузки комплекса является важной задачей при предоставлении сервисов высокопроизводительных вычислений научным коллективам, выполняющими междисциплинарные научные исследования в различных областях науки и техники. В статье предлагается метод расчета значения величины загрузки с использованием пиковых значений производительности комплекса. Анализируются результаты и качество функционирования облачных научных сервисов высокопроизводительных вычислений с помощью Roofline-модели.
Исследование влияния вида обработки на прочность монокристаллических пластин нелегированного антимонида индия
Get PDFThe method of plane-transverse bending was used to measure the strength of thin single-crystal plates of undoped InSb with a crystallographic orientation of (100). It was found that the strength of the plates (thickness ≤ 800 μm) depends on their processing. Using a full processing cycle (grinding and chemical polishing) allows to increase the strength of InSb plates by 2 times (from 3.0 to 6.4 kg/mm2). It is shown that the dependence of strength on processing for wafers with (100) orientation is similar to this dependence for wafers (111), while the strength of wafers (111) is 2 times higher. The contact profilometry method was used to measure the roughness of thin plates, which also passed successive processing steps. It was found that during a full cycle of processing, the roughness of InSb plates decreases (Ra from 0.6 to 0.04 μm), leading to a general smoothing of the surface roughness. The strength and roughness of the (100) InSb and GaAs wafers are compared. It was found that the strength of GaAs cut wafers is 2 times higher than the strength of InSb cut wafers and slightly increases after a full cycle of their processing. It was shown that the roughness of GaAs and InSb plates after a full cycle of surface treatment is significantly reduced: 10 times for InSb due to overall surface leveling and 3 times for GaAs (Rz from 2.4 to 0.8 μm) due to a decrease in the peak component. Conducting a full cycle of processing InSb plates can increase their strength by removing broken layers by sequential operations and reducing the risk of mechanical damage.Методом плоско-поперечного изгиба проведены измерения прочности тонких монокристаллических пластин нелегированного InSb с кристаллографической ориентацией (100). Установлено, что прочность пластин (толщиной ≤ 800 мкм) зависит от их обработки. Использование полного цикла обработки (шлифовки и химической полировки) позволяет увеличить прочность пластин InSb в 2 раза (от 3,0 до 6,4 кг/мм2). Показано, что зависимость прочности от обработки для пластин с ориентацией (100) аналогична этой зависимости для пластин (111), при этом величина прочности пластин (111) в 2 раза выше. Методом контактной профилометрии измерена шероховатость тонких пластин, также прошедших последовательные этапы обработки. Установлено, что при проведении полного цикла обработки шероховатость пластин InSb уменьшается (Ra от 0,6 до 0,04 мкм), приводя к общему выравниванию шероховатости на поверхности. Проведено сравнение прочности и шероховатости пластин (100) InSb и GaAs. Установлено, что прочность резаных пластин GaAs в 2 раза выше прочности резаных пластин InSb и незначительно увеличивается после полного цикла их обработки. Показано, что шероховатость пластин GaAs и InSb после полного цикла обработки поверхности значительно уменьшается: в 10 раз для InSb за счет общего выравнивания поверхности и в 3 раза для GaAs (Rz от 2,4 до 0,8 мкм) за счет снижения пиковой составляющей. Проведение полного цикла обработки пластин InSb позволяет повысить их прочность, удаляя нарушенные слои последовательными операциями и снижая риск развития механических повреждений
XХX Международная конференция «Радиационная физика твердого тела»
Get PDFС 22 по 29 августа 2020 года в г. Севастополе проходила XXX Международная конференция «Радиационная физика твердого тела». Организатор конференции — Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий (ФГБНУ «НИИ ПМТ») Министерства науки и высшего образования РФ
Использование машиннообучаемых потенциалов межатомного взаимодействия для изучения свойств кристаллических структур
Get PDFIn the process of modeling multilayer semiconductor nanostructures, it is important to quickly obtain accurate values the characteristics of the structure under consideration. One of these characteristics is the value of the interaction energy of atoms within the structure. The energy value is also important for obtaining other quantities, such as bulk modulus of the structure, shear modulus etc. The paper considers a machine learning based method for obtaining the interaction energy of two atoms. A model built on the basis of the Gaussian Approximation Potential (GAP) is trained on a previously prepared sample and allows predicting the energy values of atom pairs for test data. The values of the coordinates of the interacting atoms, the distance between the atoms, the value of the lattice constant of the structure, an indication of the type of interacting atoms, and also the value describing the environment of the atoms were used as features. The coordinates of the atoms, the distance between the atoms, the lattice constant of the structure, an indication of the type of interacting atoms, the value describing the environment of the atoms were used as features. The computational experiment was carried out with structures of Si, Ge and C. There were estimated the rate of obtaining the energy of interacting atoms and the accuracy of the obtained value. The characteristics of speed and accuracy were compared with the characteristics that were achieved using the many-particle interatomic potential — the Tersoff potential.В процессе моделирования многослойных полупроводниковых наноструктур существенную роль играет быстрое получение точных значений характеристик рассматриваемой структуры. Одной из таких характеристик является значение энергии взаимодействия атомов внутри структуры. Значение энергии важно для получения и других величин, таких как объемный модуль упругости структуры, модуль сдвига и др. В работе рассматриваются способ получения энергии взаимодействия двух атомов, основанный на методах машинного обучения. Модель, построенная на основе машиннообучаемого потенциала GAP (Gaussian Approximation Potential), обучается на заранее подготовленной выборке и позволяет предсказать значения энергии пар атомов для тестовых данных. В качестве признаков использовались значения координат взаимодействующих атомов, расстояние между атомами, значение постоянной решетки структуры, указание на тип взаимодействующих атомов, а также значение, описывающее окружение атомов. Вычислительный эксперимент проводился с участием однокомпонентных соединений, таких как Si, Ge и С. Оценивались скорость получения энергии взаимодействующих атомов, а также точность полученного значения. Характеристики скорости и точности сравнивались со значениями, полученными с помощью многочастичного потенциала межатомного взаимодействия — потенциала Терсоффа.
Поверхностно-модифицированная аминной группой бороуглеродная BC5 нанотрубка как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования
Get PDFThe modification of boron-carbon nanotubes by functional groups is relevant in connection with the intensive development of the nano-industry, in particular, nano- and microelectronics. The thus modified nanotube can be used as an element of a sensor device for detecting micro amounts of various substances, for example metals included in salts and alkalis. The possibility of creating a highly effective sensor based on a single-layer boron-carbon ВС5 nanotube with a surface modified functional amine group (—NH2) is being discussed in this paper. Results of quantum-chemical studies showed that the functional amine group connecting to the boron-carbon nanotube (BCNT) type (6, 0) at a distance of 0.16 nm (when modified to both a surface carbon atom and a boron atom), and to BCNT type (6, 6) — at a distance of 0.16 nm when the group connecting to the carbon atom and 0.17 nm when connecting to the boron atom, which indicates the emergence of a chemical bond between the investigated BCNT and the amine group. The results of computer simulation of interaction between surface-modified ВС5 nanotube and alkali metal atoms (lithium, sodium, potassium) to be initialized are presented. The sensory interaction of the modified boron-carbon nanosystem with metal atoms is investigated, at which the selected atoms are identified at a certain distance. When reacting with alkali metal atoms in the BC5 + NH2 complex, it increases the number of carriers due to the transfer of electron density from metal atoms to modified BCNT. The results presented in this paper were obtained within the molecular cluster model by quantum-chemical calculations using the calculating DFT method with exchange-correlation functionality B3LYP (valence-split basis set 6-31G). It has been shown that the amine group modified boron-carbon ВС5 nanotube shows a sensory response to the above alkali metal atoms and can be used as an element of the sensor device. Модификация бороуглеродных нанотрубок функциональными группами актуальна в связи с интенсивным развитием наноиндустрии, в частности, нано- и микроэлектроники. Модифицированная таким образом нанотрубка может быть использована в качестве элемента сенсорного устройства для обнаружения микроколичеств различных веществ, например, металлов, входящих в состав солей и щелочей. В работе обсуждается возможность создания высокоэффективного сенсора на базе однослойной бороуглеродной ВС5 нанотрубки, поверхностно-модифицированной функциональной аминной группой (—NH2). Результаты квантово-химических исследований показали, что функциональная аминная группа присоединяется к бороуглеродной нанотрубке (БУНТ) типа (6, 0) на расстоянии 0,16 нм (при модификации как на поверхностный атом углерода, так и на атом бора), а к БУНТ типа (6, 6) — на расстоянии 0,16 нм при присоединении группы к атому углерода и 0,17 нм при присоединении к атому, что говорит о возникновении химической связи между исследуемыми БУНТ и аминной группой. Представлены результаты компьютерного моделирования взаимодействия между поверхностно-модифицированной ВС5 нанотрубкой и атомами щелочных металлов (литий, натрий, калий), подлежащими инициализации. Исследовано сенсорное взаимодействие модифицированной бороуглеродной наносистемы с атомами металлов, при котором производится идентификация выбранных атомов на определенном расстоянии. При взаимодействии с атомами щелочных металлов в комплексе «ВС5 + NH2» увеличивает число носителей, обусловленное переносом электронной плотности от атомов металла к модифицированной БУНТ. Результаты, излагаемые в данной статье, были получены в рамках модели молекулярного кластера путем квантово-химических расчетов с использованием расчетного метода DFT c обменно-корреляционным функционалом B3LYP (валентно-расщепленный базисный набор 6-31G). Было доказано, что модифицированная аминной группой бороуглеродная ВС5 нанотрубка показывает сенсорный отклик в отношении вышеуказанных атомов щелочных металлов и может использоваться в качестве элемента сенсорного устройства
Зависимость диэлектрических свойств керамики титаната бария и композита на его основе от температуры спекания
Get PDFIn this paper, we compare the structure and dielectric properties of the samples of barium titanate ceramics that have been sintered at temperatures of 1100, 1150, 1200, 1250 and 1350 °C and dielectric characteristics of the samples of barium titanate (80 vol.%) — barium ferrite (20 vol.%). It is shown that only samples sintered at the temperature of 1250 and 1350 °C have polarization sufficient for the existence of the piezoelectric effect. For the same samples, the pyroelectric coefficient and reversal polarization significantly exceed those for samples sintered at lower temperatures. Analysis of the samples structure confirmed the dependence of the dielectric properties of the barium titanate ceramics on the grain size and, as a consequence, on the sintering temperature. Based on the studies carried out, the optimal temperature (1250 °С) for obtaining composite samples of barium titanate (80 vol.%) — barium ferrite (20 vol.%) was selected. The temperature dependence of the dielectric constant for the composite samples based on barium ferrite — barium titanate with a sintering temperature of 1250 °C is similar to the dependence for the BaTiO3 ceramic samples sintered at 1350 °C. At room temperatures, the permittivity of the composite samples is also significantly higher than that of the barium titanate ceramic samples obtained at the same sintering temperatures. The addition of barium ferrite to the barium titanate not only increased the permittivity of the composite, but also led to a diffusing of the ferroelectric phase transition and a shift in the temperature of the maximum of the dielectric constant by 10 degrees towards high temperatures.Проведено сравнение структуры и диэлектрических свойств образцов керамики титаната бария, спеченных при температурах 1100, 1150, 1200, 1250 и 1350 °С, и диэлектрических характеристик образцов композита титанат бария (80 % (об.)) — феррит бария (20 % (об.)), спеченных при температурах 1150, 1200 и 1250 °С. Показано, что поляризацию, достаточную для проявления пьезоэлектрического эффекта, имеют только образцы титаната бария, спеченные при температурах 1250 и 1350 °С. У этих же образцов величина пирокоэффициента и остаточной поляризации значительно превосходят аналогичные значения для образцов, спеченных при более низких температурах. Анализ структуры образцов подтвердил зависимость диэлектрических свойств керамики титаната бария от размера зерен и, как следствие, от температуры спекания. На основании проведенных исследований выбран оптимальный режим спекания образцов композита титанат бария (80 % (об.)) — феррит бария (20 % (об.)) —1250 °С. Дальнейшее повышение температуры до 1300 °С показало наличие у данного композита эвтектики. При этом температурная зависимость диэлектрической проницаемости для образцов композита на основе феррита бария — титаната бария с температурой спекания 1250 °С аналогичны зависимости для образцов керамики BaTiO3, спеченных при 1350 °С. При комнатных температурах у образцов композита диэлектрическая проницаемость также значительно больше, чем у образцов керамики титаната бария, полученных при тех же температурах спекания. Добавление феррита бария в состав титаната бария не только повысило диэлектрическую проницаемость композита, но и привело к размытию сегнетоэлектрического фазового перехода и смещению температуры максимума диэлектрической проницаемости на 10 градусов в сторону высоких температур.
Сравнение результатов оптических и электрофизических измерений концентрации свободных электронов в образцах n-InAs
Get PDFA theoretical model has been developed for determining free electron concentration in n-InAs from characteristic points in far infrared region of reflection spectra. We show that when determining free electron concentration one should take into account the plasmon-phonon coupling, otherwise free electron concentration will be overestimated. We have calculated electron concentration, Nopt, as a function of characteristic wave number, ν+, which is described by a third order polynomial. Twenty one n-InAs samples (5-doped with tin and 16-doped with sulfur) have been tested at room temperature for electron concentration using two methods, i.e., the conventional four-probe (Van der Pau) method (NHall) and the optical method developed by us (Nopt). The reflective surfaces of investigated samples were processed either with chemical-mechanical polishing or treating with short-grained abrasive powder. It was shown that for all the investigated samples the condition Nopt > NHall was relevant. The difference between optical and electrophysical electron concentration values has been shown to be greater in case of chemically polished reflective surface of the sample and smaller in case of abrasive-treated one. The experimental results have been compared with the same data previously obtained for n-GaAs samples. Qualitative model has been suggested to explain obtained experimental data. Разработана теоретическая модель, позволяющая определять концентрации свободных электронов в образцах n-InAs по характеристическим точкам на спектрах отражения в дальней инфракрасной области. Показано, что при этом необходимо учитывать плазмон-фононное взаимодействие (в противном случае значение концентрации электронов оказывается завышенным). Получена расчетная зависимость концентрации электронов Nопт от характеристического волнового числа ν+, которая описывается полиномом третьей степени. Исследовались образцы арсенида индия, легированные оловом или серой. При комнатной температуре были проведены измерения концентрации электронов двумя способами: с помощью разработанного авторами оптического метода (Nопт) и по традиционной четырехконтактной холловской методике (метод Ван-дер-Пау, NХолл). Отражающие поверхности образцов обрабатывались с помощью химической полировки или шлифовки на мелкозернистом абразивном материале. Показано, что для всех исследованных образцов выполняется условие: Nопт > NХолл. Различие между оптическими и холловскими значениями концентрации электронов больше в случае полированной отражающей поверхности образца. Проведено сравнение полученных результатов с аналогичными более ранними данными для образцов n-GaAs. Предложена качественная модель, объясняющая полученные экспериментальные результаты.