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

1、ABO3型鈣鈦礦氧化物薄膜因其獨特的電學特性和寬廣的應用前景受到了廣泛關注，成為近年來電子材料研究的一個熱點。在氧化物薄膜的應用中，存在著大量的表面、界面效應。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，它的計算結(jié)果與實驗情況十分接近，并且計算速度很快，因而得到迅速發(fā)展和廣泛應用。其中，密度泛函微擾理論在研究晶格動力學方面是一個十分有效的方法。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)薄膜的表面效應以及界面應力作用的基本規(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)相對穩(wěn)定，LaAlO3薄膜不會出現(xiàn)LaO、AlO2終止面共存的現(xiàn)象，這和實驗報道一致。表面勢場中斷導致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帶

3、底部，其表面的載流子為電子。而AlO2終止面的價帶頂部出現(xiàn)了部分未滿填充能帶，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)的變化導致體系的熱穩(wěn)定性改變，以AlO2層終止的薄膜熱力學勢能變小，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，費米能級發(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)，位于費米面下1.0eV，其結(jié)構(gòu)似F心；而在AlO2層終止的薄膜中，費米能級偏移到了

5、價帶頂部，導致該結(jié)構(gòu)的價帶頂部出現(xiàn)部分填充的能帶。通過對薄膜表面效應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薄膜性能的影響機理，該研究為制備優(yōu)質(zhì)薄膜提供了理論指導。 界面應力對薄膜結(jié)構(gòu)和性能影響很大，論文對界面應力下BaTiO3、BaZrO3薄膜結(jié)構(gòu)與介電變化規(guī)律進行了研究。發(fā)現(xiàn)BaTiO3、BaZrO3在界面應力-3％～+3％范圍內(nèi)，薄膜的畸變(c/a)比率與應力幾乎成線性關系，在失配應力為-3.0％的

6、時候，BaTiO3、BaZrO3的畸變(c/a)分別是1.050和1.045，當界面應力為+3％時，BaTiO3、BaZrO3的c/a分別降到0.954和0.961。基于密度泛函微擾理論，論文還研究了薄膜在晶格畸變時其介電參量的變化模式。結(jié)構(gòu)畸變導致了BaTiO3、BaZrO3薄膜的玻恩有效電荷隨外延應力增加成線性變化，引起了薄膜Г點的聲子模頻率產(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力為-0.9％時ε33出

7、現(xiàn)極值為248，在0.45％時ε11/22為175，而應力對BaZrO3薄膜介電張量影響程度較小，在1％時ε11/22出現(xiàn)極值為100。通過對薄膜中界面應力作用的分析，從理論上解釋了界面應力對薄膜性能的調(diào)控機制，為薄膜材料的生長與設計提供了理論依據(jù)。 基于對LaAlO3和BaTiO3薄膜的研究工作，論文最后通過建立迭代周期(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，為此通過LAO層引入界面應力構(gòu)建LAO/BTO應變超晶格，由于較大的晶格失配，界面產(chǎn)生較強的應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LAO/BTO應變超晶格的原子和