缺陷結(jié)構(gòu)影響SrTiO3和LaAlO3表界面性質(zhì)的理論研究.pdf

1、本文運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)SrTiO3和LaAlO3兩種典型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物以及SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)界面的影響。
　　首先，研究了Sr過(guò)量和Ti過(guò)量的SrTiO3，即Ruddlesden-Popper(RP)結(jié)構(gòu)和Magnéli(M)結(jié)構(gòu)Sr-Ti-O化合物的原子結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)，分析兩種化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在進(jìn)行幾何優(yōu)化后，RP和M結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了晶格膨脹現(xiàn)象，其中RP結(jié)構(gòu)的晶格膨脹

2、程度要大于M結(jié)構(gòu)，且晶格膨脹程度都隨Sr和Ti原子比例的變化而變化，當(dāng)Sr/Ti原子比例越接近1時(shí)其晶格膨脹程度越小。計(jì)算RP和M結(jié)構(gòu)的態(tài)密度顯示，費(fèi)米能級(jí)附近價(jià)帶頂電子主要由O原子2p軌道電子提供，Ti原子3d軌道電子在導(dǎo)帶占主要地位。分析能帶結(jié)構(gòu)得出RP結(jié)構(gòu)的禁帶寬度隨Sr原子比例的增加而單調(diào)增加，M結(jié)構(gòu)的禁帶寬度隨Ti原子比例的增加而單調(diào)減小。對(duì)光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算結(jié)果顯示出兩種化合物的光頻介電常數(shù)e1(0)和禁帶寬度的變化規(guī)律相反。通

3、過(guò)調(diào)節(jié)Sr或Ti原子比例，可以獲得具有不同禁帶寬度和介電性質(zhì)的化合物。利用熱力學(xué)分析計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)的形成能，發(fā)現(xiàn)RP型的晶體結(jié)構(gòu)較M結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定，這與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。
　　其次，研究了立方相LaAlO3晶體中La和Al原子的空位、反位和間隙原子缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)LaAlO3晶體結(jié)構(gòu)、電子及光學(xué)性質(zhì)的影響。晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果表明，隨著La/Al比例的增加，c軸晶格常數(shù)有逐漸增大的趨勢(shì)，而禁帶寬度沒(méi)有表現(xiàn)出較為規(guī)律性的變化。態(tài)密度分析得到空

4、位和反位缺陷結(jié)構(gòu)導(dǎo)致LaAlO3形成p型導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，而間隙缺陷導(dǎo)致LaAlO3形成n型導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。空位和間隙缺陷在低能區(qū)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響較大，而反位缺陷對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影響較小。結(jié)合熱力學(xué)分析，計(jì)算各個(gè)缺陷結(jié)構(gòu)的形成能。結(jié)果顯示La、Al空位缺陷在氧化氣氛中最容易形成，反位缺陷受化學(xué)環(huán)境的影響較小，間隙缺陷形成能在不同條件下均表現(xiàn)出較大的數(shù)值。另外，由于LaAlO3在實(shí)際應(yīng)用中常以薄膜形式出現(xiàn)，因此本文還構(gòu)建了LaAlO3(001)表面LaO和

5、AlO2兩種不同終止面的薄膜模型。結(jié)合巨熱力學(xué)勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)LaO終止面的表面結(jié)構(gòu)比AlO2為終止面的表面更加穩(wěn)定，并且兩種表面不會(huì)共存。在薄膜中反位缺陷的形成能隨化學(xué)環(huán)境的變化較小，這一結(jié)果和體相缺陷結(jié)構(gòu)的結(jié)果類(lèi)似。薄膜中空位缺陷在氧化氣氛中較容易形成，而在還原氣氛中缺陷形成能增大。兩種間隙缺陷在以LaO為終止面的薄膜中形成能較大；但在以AlO2為終止面的薄膜中形成能降低，可能是由于庫(kù)侖排斥力致使薄膜表面原子產(chǎn)生較大畸變，釋放了應(yīng)力，導(dǎo)

6、致缺陷體系總能量降低。
　　最后，研究了SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)TiO2/LaO(n型)和SrO/AlO2(p型)兩種不同界面類(lèi)型的幾何結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)弛豫后，n型異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處TiO2原子層中的Ti原子向SrTiO3一側(cè)有明顯的偏移；p型異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面處各原子均沒(méi)有產(chǎn)生明顯的偏移。分析態(tài)密度發(fā)現(xiàn)，n型界面的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶內(nèi)，整個(gè)異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈n型；而p型界面費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi)，整個(gè)異質(zhì)結(jié)呈p型。兩種模型上價(jià)帶電子主要

7、由O原子2p軌道電子提供，并且各層中的O原子對(duì)價(jià)帶均有貢獻(xiàn)；導(dǎo)帶電子主要來(lái)自Ti原子3d軌道電子。密立根電荷的分析結(jié)果顯示TiO2/LaO界面存在多余的電子，這和態(tài)密度分析結(jié)果相符合。通過(guò)計(jì)算平均靜電勢(shì)得到SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶偏移為0.96eV，導(dǎo)帶偏移為1.44eV。另外，為了深入討論SrTiO3/LaAlO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面上二維電子氣的產(chǎn)生機(jī)制，本文分別在SrTiO3和LaAlO3層結(jié)構(gòu)內(nèi)引入氧空位及金屬陽(yáng)離子空位等

8、缺陷，研究點(diǎn)缺陷對(duì)異質(zhì)結(jié)界面導(dǎo)電性質(zhì)的影響。分析缺陷結(jié)構(gòu)的態(tài)密度發(fā)現(xiàn)，n型界面氧空位缺陷表現(xiàn)出施主行為，界面上載流子密度增加，界面導(dǎo)電性增強(qiáng)；p型界面氧空位缺陷表現(xiàn)為施主行為，由于補(bǔ)償作用導(dǎo)致界面上載流子密度降低。引入Sr，Ti金屬陽(yáng)離子空位發(fā)現(xiàn)n型界面Sr，Ti空位缺陷表現(xiàn)出受主行為，強(qiáng)的補(bǔ)償作用使費(fèi)米能級(jí)降低至價(jià)帶內(nèi)；而p型界面Sr，Ti空位缺陷導(dǎo)致p型界面上的空穴濃度有不同程度的增大。這一結(jié)果可豐富對(duì)缺陷結(jié)構(gòu)引起鈣鈦礦異質(zhì)界面二維