第一性原理研究BaTiO3-ZnO异质结构的电子特性

论文摘要

铁电-半导体异质结构作为传统Si基MIS结构的有力竞争者，在现代集成铁电器件领域的应用越来越广。本文基于第一性原理计算软件CASTEP主要研究由典型铁电材料BaTiO3、半导体材料ZnO构成的BaTiO3-ZnO异质结构，在理论层次上对其电子特性进行探索性研究，为今后铁电-半导体纳米器件的研制提供理论依据。首先，本文针对基态下BaTiO3（001）表面和ZnO的各种极性表面结构，从能带结构、态密度、电荷密度分布等方面进行了详细分析，其中BaTiO3表面的TiO2终端因Ti原子悬挂键的存在，引入表面态，其稳定性下降，并呈现出较好的吸附特性，因此适用于薄膜的外延生长。ZnO各种极性表面由于相结构、终端原子、极化取向的不同，特性差异较大，其中Zn终端表面呈半导体特性，尤其是闪锌矿结构的禁带宽度更大，约1．803 eV，适应半导体工艺的需要。其次，基于分子动力学方法对ZnO分子在BaTiO3（001）终端表面的吸附过程进行初步模拟。BaO终端表面的吸附过程受温度场的调制作用很差；相反，TiO2终端表面因具有较强的吸附特性而表现出温度效应下特有的吸附机制，并且温度场的存在对这种吸附结构的稳定化过程影响很大，这与实际的实验情况相符，因此TiO2终端表面为BaTiO3-ZnO异质结构的构建提供了界面基础。最后，从界面原子结构出发深入讨论了BaTiO3-ZnO异质结构的电子特性，其中带偏计算表明电子从ZnO一侧难以越过界面势垒到达BaTiO3侧，从而为研制基于铁电-半导体异质结构的纳米器件提供了可能。接着，结合ZnO-BaTiO3-ZnO双异质结构模型，进一步讨论了电场作用下BaTiO3材料所表现出来的独特器件特性——极化反转效应，并以此解释了铁电存储器的工作机理，最后概述了极化耦合效应对改善铁电存储器性能的重要意义。当前铁电-半导体异质结构的研究主要基于实验测量，而实验数据在很大程度上依赖工艺条件等外在因素，因此可信度不高，而本文在理论层次上首次详细地分析了BaTiO3-ZnO异质结构的电子特性，摆脱了实验研究这一传统方法的束缚，并为集成铁电器件这个研究领域提供许多新的思路。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 材料计算与设计
• 1.2 铁电材料与半导体异质结构的研究现状
• 3的研究现状'>1.2.1 铁电材料BaTiO₃的研究现状
• 1.2.2 半导体材料ZnO的研究现状
• 3-ZnO异质结构的研究现状'>1.2.3 BaTiO₃-ZnO异质结构的研究现状
• 1.3 本课题的研究目的、意义及本文工作
• 第二章 第一性原理
• 2.1 第一性原理概述
• 2.2 多粒子体系的薛定谔方程
• 2.2.1 非相对论近似
• 2.2.2 绝热近似
• 2.2.3 轨道近似
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 Kohn-Sham方程
• 2.3.2 交换相关泛函
• 2.3.2.1 局域密度近似
• 2.3.2.2 广义梯度近似
• 2.4 基组与赝势
• 2.4.1 基组
• 2.4.2 赝势
• 2.5 第一性原理分子动力学
• 2.5.1 Car-Parrinello方法
• 2.5.2 数值算法
• 2.5.3 系综选择
• 2.6 第一性原理计算软件
• 3表面结构的电子特性研究'>第三章 BaTiO₃表面结构的电子特性研究
• 3体结构'>3.1 BaTiO₃体结构
• 3表面结构'>3.2 BaTiO₃表面结构
• 第四章 ZnO表面结构的电子特性研究
• 4.1 ZnO体结构
• 4.1.1 3C-ZnO体结构
• 4.1.2 2H-ZnO体结构
• 4.2 ZnO表面结构
• 4.2.1 3C-ZnO表面结构
• 4.2.2 2H-ZnO表面结构
• 3表面ZnO分子的吸附动力学研究'>第五章 BaTiO₃表面ZnO分子的吸附动力学研究
• 5.1 吸附位与总能
• 5.2 吸附模型及动力学过程
• 5.3 最佳吸附结构
• 3-ZnO异质结构的电子特性研究'>第六章 BaTiO₃-ZnO异质结构的电子特性研究
• 3-ZnO异质结构'>6.1 BaTiO₃-ZnO异质结构
• 3-ZnO界面的原子结构'>6.1.1 BaTiO₃-ZnO界面的原子结构
• 3-ZnO异质结构的电子特性'>6.1.2 BaTiO₃-ZnO异质结构的电子特性
• 3-ZnO双异质结构'>6.2 ZnO-BaTiO₃-ZnO双异质结构
• 3-ZnO双异质结构与电场模型'>6.2.1 ZnO-BaTiO₃-ZnO双异质结构与电场模型
• 3-ZnO双异质结构的极化效应'>6.2.2 ZnO-BaTiO₃-ZnO双异质结构的极化效应
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间的研究成果