Kinetic Monte Carlo Simulations in Physics of Thin Films: from Growth to Electronic Properties

Abstract

Kinetic Monte Carlo (kMC) is a stochastic method used to simulate time evolution of a system. This algorithm finds application in various scientific fields. It is also widely used in physics of thin films. In the thesis, we developed models based on the kMC method to simulate growth and electronic properties of thin film. First, we developed the model to simulate the pulsed-laser deposition (PLD) growth of multiferroic perovskite. The model was first validated with data from literature and then used to clarify some of the phenomena observed during PLD growth. We innovatively explained the inter-layer transport crucial for film morphology using natural configuration-based processes. In addition, we were able to identify the cause of the experimentally observed decrease of surface roughness with increasing laser frequency. Second, we used the kMC method to study polaron diffusion with the aim to further understand the charge transfer in doped hematite. We applied several approximations of how dopants could affect the charge transfer and found that they influence polaron diffusion globally rather than due to strong local effects. Moreover, our model suggests that the diffusion process depends on the polaron type. We also simulated the injection of hole polarons into doped hematite. Even using the general...

Kinetické Monte Carlo (kMC) je stochastická metoda používaná k simulaci časového vývoje systému. Tento algoritmus nachází uplatnění v různých vědních oborech včetně fyziky tenkých vrstev. V této práci jsme vyvinuli modely založené na metodě kMC pro simulaci růstu a elektronických vlastností tenkých vrstev. Nejprve jsme vyvinuli model pro simulaci růstu multiferoického perovskitu pomocí pulzní laserové depozice (PLD). Model byl ověřen pomocí údajů z literatury a poté použit k objasnění některých jevů pozorovaných při PLD růstu. Inovativně jsme vysvětlili přenos materiálu mezi vrstvami, který je klíčový pro mor- fologii vrstvy, pomocí přirozených procesů založených pouze na konfiguraci ostrůvků na povrchu. Kromě toho se nám podařilo identifikovat příčinu experimentálně pozorovaného poklesu drsnosti povrchu s rostoucí frekvencí laseru. Dále jsme použili metodu kMC ke studiu difuze polaronů s cílem hlouběji pochopit difuzi náboje v dopovaném hematitu. Použili jsme několik aproximací toho, jak mohou dopanty ovlivňovat přenos náboje, a zjistili jsme, že ovlivňují difúzi polaronů spíše glo- bálně než v důsledku silných lokálních efektů. Náš model navíc naznačuje, že proces difuze závisí na typu polaronu. Simulovali jsme také tunelování děrových polaronů do dopova- ného hematitu. I při použití obecného modelu jsme...