ABO-,3-型氧化物薄膜表面結(jié)構(gòu)與界面應(yīng)力效應(yīng)的第一原理研究.pdf

1、ABO3型鈣鈦礦氧化物薄膜因其獨(dú)特的電學(xué)特性和寬廣的應(yīng)用前景受到了廣泛關(guān)注，成為近年來(lái)電子材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。在氧化物薄膜的應(yīng)用中，存在著大量的表面、界面效應(yīng)。因此研究氧化物薄膜的表面與界面結(jié)構(gòu)，并從理論上加以解釋是十分重要的。而密度泛函理論是近些年興起的電子結(jié)構(gòu)研究方法，它的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況十分接近，并且計(jì)算速度很快，因而得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。其中，密度泛函微擾理論在研究晶格動(dòng)力學(xué)方面是一個(gè)十分有效的方法。本論文利用第一性原理方法

2、，從原子和電子層面上研究了氧化物電介質(zhì)薄膜的表面效應(yīng)以及界面應(yīng)力作用的基本規(guī)律。 論文首先研究了LaAlO3(001)薄膜理想表面的原子結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明，薄膜表面的原子發(fā)生明顯弛豫，LaO終止面的薄膜結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，LaAlO3薄膜不會(huì)出現(xiàn)LaO、AlO2終止面共存的現(xiàn)象，這和實(shí)驗(yàn)報(bào)道一致。表面勢(shì)場(chǎng)中斷導(dǎo)致LaAlO3薄膜表面電子再分布，使得體系能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度發(fā)生變化，LaO終止面的電子部分填充到了導(dǎo)帶

3、底部，其表面的載流子為電子。而AlO2終止面的價(jià)帶頂部出現(xiàn)了部分未滿(mǎn)填充能帶，從而體系的載流子為空穴。以LaO層終止和AlO2層終止的薄膜表面載流子面密度分別是1.56×1015cm-2和8.52×1014cm-2。 其次，論文研究了表面氧空位對(duì)LaAlO3(001)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。分析表明，表面氧空位改變了薄膜表層的原子排列，引起表層褶皺，在LaO終止層的薄膜表層褶皺度為6.428％，而在AlO2終止層的薄膜中為4.18

4、7％。表層結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致體系的熱穩(wěn)定性改變，以AlO2層終止的薄膜熱力學(xué)勢(shì)能變小，結(jié)構(gòu)上較穩(wěn)定，因而AlO2層在薄膜表面出現(xiàn)的幾率大。在以LaO和AlO2層終止的薄膜中，表面氧空位的形成能分別是6.87eV和5.10eV。薄膜的電子結(jié)構(gòu)在表面氧空位缺陷的作用下產(chǎn)生了變化，費(fèi)米能級(jí)發(fā)生了偏移，帶隙中出現(xiàn)了缺陷態(tài)。在LaO層終止的薄膜中，能隙里出現(xiàn)部分電子態(tài)，位于費(fèi)米面下1.0eV，其結(jié)構(gòu)似F心；而在AlO2層終止的薄膜中，費(fèi)米能級(jí)偏移到了

5、價(jià)帶頂部，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的價(jià)帶頂部出現(xiàn)部分填充的能帶。通過(guò)對(duì)薄膜表面效應(yīng)以及表面氧空位作用的研究，從理論上分析了表面以及表面氧空位缺陷對(duì)薄膜性能的影響機(jī)理，該研究為制備優(yōu)質(zhì)薄膜提供了理論指導(dǎo)。 界面應(yīng)力對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能影響很大，論文對(duì)界面應(yīng)力下BaTiO3、BaZrO3薄膜結(jié)構(gòu)與介電變化規(guī)律進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)BaTiO3、BaZrO3在界面應(yīng)力-3％～+3％范圍內(nèi)，薄膜的畸變(c/a)比率與應(yīng)力幾乎成線性關(guān)系，在失配應(yīng)力為-3.0％的

6、時(shí)候，BaTiO3、BaZrO3的畸變(c/a)分別是1.050和1.045，當(dāng)界面應(yīng)力為+3％時(shí)，BaTiO3、BaZrO3的c/a分別降到0.954和0.961?；诿芏确汉_理論，論文還研究了薄膜在晶格畸變時(shí)其介電參量的變化模式。結(jié)構(gòu)畸變導(dǎo)致了BaTiO3、BaZrO3薄膜的玻恩有效電荷隨外延應(yīng)力增加成線性變化，引起了薄膜Г點(diǎn)的聲子模頻率產(chǎn)生改變，從而影響到薄膜的介電張量。BaTiO3薄膜介電張量在界面應(yīng)力為-0.9％時(shí)ε33出

7、現(xiàn)極值為248，在0.45％時(shí)ε11/22為175，而應(yīng)力對(duì)BaZrO3薄膜介電張量影響程度較小，在1％時(shí)ε11/22出現(xiàn)極值為100。通過(guò)對(duì)薄膜中界面應(yīng)力作用的分析，從理論上解釋了界面應(yīng)力對(duì)薄膜性能的調(diào)控機(jī)制，為薄膜材料的生長(zhǎng)與設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 基于對(duì)LaAlO3和BaTiO3薄膜的研究工作，論文最后通過(guò)建立迭代周期(m+n)為2、3和4的(LaAlO3)m/(BaTiO3)n(LAOm/BTOn)超晶格模型，采用第一性原

8、理模擬了超晶格的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。BTO的鐵電性能與其晶格畸變(c/a)密切相關(guān)，為此通過(guò)LAO層引入界面應(yīng)力構(gòu)建LAO/BTO應(yīng)變超晶格，由于較大的晶格失配，界面產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)變作用引起晶格畸變，以改變BTO層的晶格結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)在1/1周期的LAOm/BTOn超晶格中，晶格常數(shù)α為3.872A°，BTO層的c/a為1.002，而在LAO1/BTO2中α為3.893A°，BTO層的c/a為1.015。對(duì)LAO/BTO應(yīng)變超晶格的原子和