SrTiO3-GaAs（GaP）异质结的结构和电子特性研究

论文摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，研究了铁电晶体SrTiO3分别与化合物半导体GaAs和GaP构成的异质结构的电子特性。首先，分析了钛酸锶、砷化镓和磷化镓三种材料的结构和电子特性。解释了SrTiO3晶体的Ti-O键和Sr-O键的价键性质；对于GaAs和GaP的闪锌矿结构，讨论了价带顶和导带底能带位置，以及Ga-As键和Ga-P键的价键性质。在表面讨论中，研究分析表明：SrTiO3（001）表面是弱极性的，SrO端面比TiO2端面更加稳定。GaAs和GaP（001）表面是极性表面；通过比较在有无氢键饱和条件下的表面特性，显示出氢键饱和对于屏蔽另一个非研究面对表面的影响有重要作用。因此，对GaAs和GaP（001）极性表面使用氢键饱和，来消除非饱和键对界面的影响。在对表面结构充分研究的基础上，通过对SrTiO3-GaAs异质结构实验报道的分析，开展了理论模型的探讨。研究表明：SrTiO3与GaAs结合成异质结时，在SrTiO3的（001）表面和GaAs的（001）表面上，SrTiO3与GaAs是可匹配的，且砷化镓将旋转45°角方向至[110]晶向或者钛酸锶表面旋转45°角方向至[110]晶向。由于表面计算显示SrO端面比TiO2端面更加稳定，故选择SrO端面作为界面。结构的总能量和界面间的相互作用的研究，表明SrO-As界面更稳定。基于SrTiO3-GaAs异质结构的分析，开展了对SrTiO3-GaP异质结理论模型的探讨。在SrTiO3的（001）表面和GaP的（001）表面上，SrTiO3与GaP是可匹配的，且磷化镓相应旋转45°角方向至[110]晶向或者钛酸锶表面旋转45°角方向至[110]晶向。经过界面特性的计算分析，从结构的总能量和界面间的相互作用来看，SrO-P界面是更稳定的。本文深入分析了异质结的结构特性和电子特性，得到了稳定的界面。分别为晶面SrTiO3（001）||GaAs（001）和晶向SrTiO3[110]||GaAs[100]的SrO-As界面；晶面SrTiO3（001）||GaP（001）和晶向SrTiO3[110]||GaP[100]的SrO-P界面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究方法
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文工作
• 第二章 第一性原理
• 2.1 薛定谔方程
• 2.2 密度泛函理论
• 2.3 分子轨道展开
• 2.4 赝势理论
• 2.5 分子轨道的自洽求解
• 2.6 CASTEP
• 第三章 铁电材料和半导体材料体结构
• 3.1 铁电材料
• 3.1.1 钙钛矿结构材料基本性质
• 3.1.2 钛酸锶体结构和电子特性
• 3.1.2.1 钛酸锶材料基本特性和应用
• 3.1.2.2 钛酸锶体结构
• 3.1.2.3 钛酸锶的电子特性
• 3.2 半导体材料
• 3.2.1 砷化镓（GaAs）半导体材料
• 3.2.2 磷化镓（GaP）材料
• 3.3 GaAs的结构和电子特性
• 3.3.1 GaAs的结构
• 3.3.2 电子特性
• 3.4 GaP的结构和电子特性
• 3.4.1 GaP的结构
• 3.4.2 电子特性
• 3、GaAs和GaP的表面结构'>第四章 SrTiO₃、GaAs和GaP的表面结构
• 4.1 不同表面结构
• 3（001）表面'>4.2 SrTiO₃（001）表面
• 4.2.1 表面弛豫
• 4.2.2 表面能量
• 4.2.3 表面电子能带结构
• 4.3 GaAs（001）表面
• 4.3.1 无氢键饱和端面
• 4.3.1.1 砷端面
• 4.3.1.2 镓端面
• 4.3.2 氢键饱和端面
• 4.4 GaP（001）表面
• 4.4.1 Ga端面
• 4.4.2 P端面
• 3-GaAs异质结模型'>第五章 SrTiO₃-GaAs异质结模型
• 5.1 不同表面构成的异质结
• 5.2 SrO-Ga的界面异质结
• 5.3 SrO-As的界面异质结
• 5.4 其它异质结构
• 3-GaP异质结模型'>第六章 SrTiO₃-GaP异质结模型
• 6.1 SrO-Ga的界面异质结
• 6.2 SrO-P的界面异质结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果