鎳與磷化鎵表面吸附特性的第一性原理研究.pdf

1、吸附是固體表面最重要的特征之一，在固態(tài)晶體表面上，原子或分子的力場是不飽和的，固體表面的分子或原子具有剩余的力場，清潔的固體表面處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，極易產(chǎn)生表面吸附。吸附影響著固體表面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)以及器件性能，因此，固體表面的吸附行為受到了很大關(guān)注。 本文采用基于密度泛函理論的從頭算法，利用VASP程序，研究了非磁性原子錫和鉛與磁性原子錳在鎳表面的吸附行為，以及磷化鎵半導(dǎo)體表面重構(gòu)與表面鈍化機(jī)理。 1．研究了非

2、磁性原子Sn吸附在Ni(100)、Ni(110)和Ni(111)表面的結(jié)構(gòu)屬性和最穩(wěn)定相在吸附前后的態(tài)密度分布。通過吸附能的計算，發(fā)現(xiàn)Sn吸附在鎳的三個表面的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)都是形成表面合金相的替代吸附，Ni(111)(√3×√3)R30°-Sn合金相并不存在表面層錯現(xiàn)象。計算所得Sn吸附在Ni(100)、Ni(110)和Ni(111)表面的皺褶幅度分別為0.47(A)、0.49(A)和0.55(A)，與實驗結(jié)果吻合很好。由于價電子電荷密度降

3、低和表面應(yīng)力減少，皺褶幅度均遠(yuǎn)小于硬球模型的期望值。另外，研究了較大非磁性原子Pb在Ni(111)(√3×√3)R30°表面的吸附行為，發(fā)現(xiàn)與Sn在該表面的吸附行為類似。 2．研究了Mn吸附在Ni(110)c(2×2)表面時磁性對結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響，考慮了順磁、鐵磁以及反鐵磁耦合情況。計算表明，在考慮的所有結(jié)構(gòu)中鐵磁耦合表面替代吸附結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，而如只考慮順磁耦合時第二層替代合金最穩(wěn)定。因此，Mn原子的磁性增加了表面的磁性能，從

4、而穩(wěn)定了該合金表面。Mn-Ni(110)c(2×2)表面合金皺褶幅度為0.26(A)以及第三層的皺褶幅度為0.038(A)，與實驗結(jié)果吻合很好。態(tài)密度分析表明Mn原子存在大的磁場分裂，比Mn-Ni(100)c(2×2)表面合金(3.41eV)略大，Mn-3d和Ni-3d之間存在強(qiáng)的雜化現(xiàn)象。Ni(110)c(2×2)表面由于Mn的吸附引起功函變化-0.59eV，意味著電荷從吸附物轉(zhuǎn)移到底物。驗證了大的皺褶幅度和功函變化與Mn原子大的磁矩

5、(3.81μB)相關(guān)。另外，分析了Mn吸附在Ni(111)p(2×2)表面結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)，最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是反鐵磁耦合時的第二層替代合金，Mn原子的磁矩為3.15μB和-3.03μB，電學(xué)性質(zhì)分析表明Mn原子的局域性弱于Mn-Ni(110)c(2×2)表面合金，這是由于Mn原子磁矩較小所較。最后，我們把Mn/Ni磁性表面合金與Mn/Cu磁性合金磁性合金進(jìn)行了比較分析，認(rèn)為磁性表面合金大的皺褶幅度由幾何效應(yīng)、磁體效應(yīng)以及空位形成能共同決定。

6、 3．詳細(xì)研究了GaP(001)表面重構(gòu)現(xiàn)象，模擬了GaP(001)表面在退火實驗中的相變過程，得到了GaP(001)(1×2)、(2×2)和(2×4)清潔表面的結(jié)構(gòu)、能量和電學(xué)性質(zhì)。結(jié)構(gòu)參數(shù)與原有的實驗和理論結(jié)果吻合很好。通過相變圖清楚地得到在不同條件下的穩(wěn)定相，發(fā)現(xiàn)在(1×2)到(2×4)相變過程中存在的混合態(tài)可能是β2(2×4)，δ(2×4)和Ga(1×2)md結(jié)構(gòu)的共存態(tài)。 4．詳細(xì)研究了0.5ML和1ML硫吸附在磷

7、截止與鎵截止的GaP(001)(1×2)表面的結(jié)構(gòu)和電學(xué)屬性。吸附能計算結(jié)果表明，O.5ML硫吸附時最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是硫吸附在鎵截止表面的橋位置；lML硫吸附在GaP(001)(1×2)表面時最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是吸附在鎵截止表面的橋和空穴位置，所有二聚物被斷開，形成(1×1)的重構(gòu)單元。S-Ga鍵強(qiáng)于S-P鍵。對0.5ML和1ML硫吸附后的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相變分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)-1.34eV<△μ(S)<0時(1×1)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，當(dāng)△μ(S)為-1.34e

8、V時，(1×2)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?1×1)結(jié)構(gòu)，與實驗結(jié)果一致。能帶和態(tài)密度分析表明硫吸附在GaP(001)表面可以大幅度降低費(fèi)米能級處的表面態(tài)。1ML硫吸附在鎵截止的GaP(001)(1×1)表面時在r處的能隙為1.6leV，禁帶中的表面態(tài)幾乎消失，而吸附在磷截止表面時由于存在S-P反鍵態(tài)，禁帶中的表面態(tài)沒有減少，還存在一個新峰；另外，硫吸附在鎵截止表面時表面懸掛鍵趨于飽和，有效地防止外界環(huán)境對表面的污染。因此，硫吸附在鎵截止GaP(001

9、)表面時到了鈍化的目的。 5．討論了0.5ML和1ML的銦吸附在GaP(001)(1×2)表面時的結(jié)構(gòu)和電學(xué)屬性。吸附能計算表明，0.5ML銦吸附時最穩(wěn)定位置是HH，其次是HB位置。1ML銦吸附時，銦吸附在HH-T3或HH-T4位置，吸附能只差30meV。電學(xué)性質(zhì)分析表明0.5ML和1ML銦吸附具有相似的吸附行為，費(fèi)米能級附近的表面態(tài)減少，對表面有鈍化作用。銦吸附在GaP(001)(1×2)表面引起功函降低，電荷從吸附物轉(zhuǎn)移到底