Si基表面吸附BTO初期粒子的理論研究.pdf

1、在激光分子束外延(LMBE)生長(zhǎng)BaTiO3(BTO)薄膜過(guò)程中,初期多粒子碰撞反應(yīng)是薄膜形成的關(guān)鍵過(guò)程。本文利用密度泛函理論中的廣義梯度近似(DFT/GGA)，在PW91/DNP水平上分別對(duì)BTO原胞的形成機(jī)理，以及BTO薄膜形成初期的粒子(以BaO、TiO2和BTO分子為主)在Si基表面的吸附生長(zhǎng)過(guò)程作了理論研究。所有計(jì)算均采用Materials Studio4.0中的DMol3和CASTEP兩個(gè)軟件包來(lái)完成。
　　 BTO

2、薄膜生長(zhǎng)初期存在一個(gè)Ba、O、Ti粒子共存的高真空沉積氣氛，計(jì)算這些粒子碰撞反應(yīng)機(jī)理及其中間體的形成機(jī)理后，獲得了相應(yīng)中間體的幾何結(jié)構(gòu)、過(guò)渡態(tài)及反應(yīng)活化能，并運(yùn)用前線(xiàn)軌道理論分析了BTO分子形成的機(jī)理。研究表明在BTO薄膜生長(zhǎng)初期會(huì)以TiO2分子為中心，結(jié)合BaO分子成核生長(zhǎng)，并經(jīng)由類(lèi)似于BTO單原胞中的鈦酸鋇分子結(jié)構(gòu)形成大量的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)雛形的BTO原胞。
　　 對(duì)BTO初期粒子(以BaO和TiO2分子為例)在Si基表面吸附

3、生長(zhǎng)的研究采用從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)方法。模擬計(jì)算得到吸附過(guò)程的運(yùn)動(dòng)軌跡及每個(gè)時(shí)刻的能量，并找出每個(gè)階段的吸附能。通過(guò)吸附能大小的比較，發(fā)現(xiàn)TiO2優(yōu)先于BaO分子在馳豫的Si基表面發(fā)生吸附，說(shuō)明生長(zhǎng)將以TiO2為中心。
　　 另外，利用Mulliken電荷布局和前線(xiàn)軌道理論分別對(duì)BaO分子和TiO2分子在Si基表面的吸附過(guò)程作了具體的成鍵分析，發(fā)現(xiàn)BaO分子的吸附過(guò)程中，O原子與基底表面的Si原子結(jié)合后，Ba-O鍵發(fā)生斷裂；而Ti

4、O2分子的吸附過(guò)程中，Si原子先與其中一個(gè)O原子結(jié)合，再與Ti原子結(jié)合，形成以Ti為中心的穩(wěn)定四面體結(jié)構(gòu)。這些分析結(jié)果都與動(dòng)力學(xué)過(guò)程相一致。
　　 最后，對(duì)于BTO分子在Si基表面的吸附情況，我們結(jié)合前面研究的BTO原胞形成機(jī)理，并對(duì)比分析BaO和TiO2分子吸附過(guò)程，得出這樣的猜測(cè)：基底表面Si原子先與BTO分子中的兩個(gè)O原子吸附，再與Ti原子發(fā)生結(jié)合，而B(niǎo)TO分子中剩下的一個(gè)O原子將在孤電子對(duì)的作用下靠近Ba原子，形成類(lèi)似于