ABO3型氧化物薄膜表面结构与界面应力效应的第一原理研究

论文摘要

ABO3型钙钛矿氧化物薄膜因其独特的电学特性和宽广的应用前景受到了广泛关注,成为近年来电子材料研究的一个热点。在氧化物薄膜的应用中,存在着大量的表面、界面效应。因此研究氧化物薄膜的表面与界面结构,并从理论上加以解释是十分重要的。而密度泛函理论是近些年兴起的电子结构研究方法,它的计算结果与实验情况十分接近,并且计算速度很快,因而得到迅速发展和广泛应用。其中,密度泛函微扰理论在研究晶格动力学方面是一个十分有效的方法。本论文利用第一性原理方法,从原子和电子层面上研究了氧化物电介质薄膜的表面效应以及界面应力作用的基本规律。论文首先研究了LaAlO3（001）薄膜理想表面的原子结构、热稳定性和电子结构。计算结果表明,薄膜表面的原子发生明显弛豫,LaO终止面的薄膜结构相对稳定,LaAlO3薄膜不会出现LaO、AlO2终止面共存的现象,这和实验报道一致。表面势场中断导致LaAlO3薄膜表面电子再分布,使得体系能带结构和电子态密度发生变化,LaO终止面的电子部分填充到了导带底部,其表面的载流子为电子。而AlO2终止面的价带顶部出现了部分未满填充能带,从而体系的载流子为空穴。以LaO层终止和AlO2层终止的薄膜表面载流子面密度分别是1.56×1015cm-2和8.52×1014cm-2。其次,论文研究了表面氧空位对LaAlO3（001）薄膜结构和性能的影响。分析表明,表面氧空位改变了薄膜表层的原子排列,引起表层褶皱,在LaO终止层的薄膜表层褶皱度为6.428%,而在AlO2终止层的薄膜中为4.187%。表层结构的变化导致体系的热稳定性改变,以AlO2层终止的薄膜热力学势能变小,结构上较稳定,因而AlO2层在薄膜表面出现的几率大。在以LaO和AlO2层终止的薄膜中,表面氧空位的形成能分别是6.87eV和5.10eV。薄膜的电子结构在表面氧空位缺陷的作用下产生了变化,费米能级发生了偏移,带隙中出现了缺陷态。在LaO层终止的薄膜中,能隙里出现部分电子态,位于费米面下1.0eV,其结构似F心;而在AlO2层终止的薄膜中,费米能级偏移到了价带顶部,导致该结构的价带顶部出现部分填充的能带。通过对薄膜表面效应以及表面氧空位作用的研究,从理论上分析了表面以及表面氧空位缺陷对薄膜性能的影响机理,该研究为制备优质薄膜提供了理论指导。界面应力对薄膜结构和性能影响很大,论文对界面应力下BaTiO3、BaZrO3薄膜结构与介电变化规律进行了研究。发现BaTiO3、BaZrO3在界面应力-3%～+3%范围内,薄膜的畸变（c/a）比率与应力几乎成线性关系,在失配应力为-3.0%的时候,BaTiO3、BaZrO3的畸变（c/a）分别是1.050和1.045,当界面应力为+3%时,BaTiO3、BaZrO3的c/a分别降到0.954和0.961。基于密度泛函微扰理论,论文还研究了薄膜在晶格畸变时其介电参量的变化模式。结构畸变导致了BaTiO3、BaZrO3薄膜的玻恩有效电荷随外延应力增加成线性变化,引起了薄膜Γ点的声子模频率产生改变,从而影响到薄膜的介电张量。BaTiO3薄膜介电张量在界面应力为-0.9%时ε33出现极值为248,在0.45%时ε11/22为175,而应力对BaZrO3薄膜介电张量影响程度较小,在1%时ε11/22出现极值为100。通过对薄膜中界面应力作用的分析,从理论上解释了界面应力对薄膜性能的调控机制,为薄膜材料的生长与设计提供了理论依据。基于对LaAlO3和BaTiO3薄膜的研究工作,论文最后通过建立迭代周期（m+n）为2、3和4的（LaAlO3）m/（BaTiO3）n（LAOm/BTOn）超晶格模型,采用第一性原理模拟了超晶格的几何结构和电子结构。BTO的铁电性能与其晶格畸变（c/a）密切相关,为此通过LAO层引入界面应力构建LAO/BTO应变超晶格,由于较大的晶格失配,界面产生较强的应变作用引起晶格畸变,以改变BTO层的晶格结构。研究发现在1/1周期的LAOm/BTOn超晶格中,晶格常数α为3.872（?）,BTO层的c/a为1.002,而在LAO1/BTO2中α为3.893（?）,BTO层的c/a为1.015。对LAO/BTO应变超晶格的原子和电子结构的研究,有助于理解LAO层引入界面应力对超晶格薄膜性能改善的机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 3型氧化物'>1.1 ABO₃型氧化物
• 3型氧化物薄膜'>1.2 ABO₃型氧化物薄膜
• 3型氧化物薄膜的表面与界面研究现状'>1.3 ABO₃型氧化物薄膜的表面与界面研究现状
• 1.3.1 实验研究进展
• 1.3.2 理论研究进展
• 1.4 本论文研究思路及框架
• 第二章 密度泛函理论及第一性原理简介
• 2.1 引言
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 波函数与电子密度
• 2.2.2 密度泛函理论框架
• 2.3 第一性原理的解决方案
• 2.4 计算平台和常用软件包
• 2.5 CASTEP简介
• 3薄膜表面原子和电子结构研究'>第三章 LaAlO₃薄膜表面原子和电子结构研究
• 3.1 引言
• 3晶体特点'>3.2 LaAlO₃晶体特点
• 3薄膜表面模型及计算'>3.3 LaAlO₃薄膜表面模型及计算
• 3薄膜表面的原子结构'>3.4 LaAlO₃薄膜表面的原子结构
• 3.4.1 表面弛豫
• 3.4.2 表面热稳定性
• 3薄膜表面的电子结构'>3.5 LaAlO₃薄膜表面的电子结构
• 3.6 小结
• 3薄膜特性的影响'>第四章 表面氧空位对LaAlO₃薄膜特性的影响
• 4.1 引言
• 3薄膜表面氧空位模型与计算'>4.2 LaAlO₃薄膜表面氧空位模型与计算
• 3薄膜表面原子结构的影响'>4.3 氧空位对LaAlO₃薄膜表面原子结构的影响
• 4.3.1 原子弛豫
• 4.3.2 热稳定性
• 3薄膜电子结构的影响'>4.4 表面氧空位对LaAlO₃薄膜电子结构的影响
• 4.5 小结
• 3外延薄膜在界面应力下结构和介电行为'>第五章 BaTi/（Zr）O₃外延薄膜在界面应力下结构和介电行为
• 5.1 引言
• 3外延薄膜在界面应力下的结构模型与计算'>5.2 BaTi/（Zr）O₃外延薄膜在界面应力下的结构模型与计算
• 3外延薄膜在界面应力下的结构变化规律'>5.3 BaTi/（Zr）O₃外延薄膜在界面应力下的结构变化规律
• 3外延薄膜在界面应力下的介电行为'>5.4 BaTi/（Zr）O₃外延薄膜在界面应力下的介电行为
• 5.4.1 玻恩有效电荷变化规律
• 5.4.2 声子模变化规律
• 5.4.3 介电张量变化规律
• 5.4.4 界面应力对BTO铁电性的影响
• 5.5 小结
• 3/BaTiO₃应变超晶格原子结构和电子结构'>第六章 LaAlO₃/BaTiO₃应变超晶格原子结构和电子结构
• 6.1 引言
• 3/BaTiO₃超晶格模型与计算'>6.2 LaAlO₃/BaTiO₃超晶格模型与计算
• 6.3 LAO/BTO超晶格的原子结构
• 6.3.1 LAO/BTO超晶格的原子变化
• 6.3.2 LAO/BTO超晶格的结构随迭代周期的变化
• 6.4 LAO/BTO超晶格的电子结构
• 6.5 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间取得的研究成果
• 作者简介