论文摘要
在激光分子束外延(LMBE)生长BaTiO3(BTO)薄膜过程中,初期多粒子碰撞反应是薄膜形成的关键过程。本文利用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT/GGA),在PW91/DNP水平上分别对BTO原胞的形成机理,以及BTO薄膜形成初期的粒子(以BaO、TiO2和BTO分子为主)在Si基表面的吸附生长过程作了理论研究。所有计算均采用Materials Studio 4.0中的DMol3和CASTEP两个软件包来完成。BTO薄膜生长初期存在一个Ba、O、Ti粒子共存的高真空沉积气氛,计算这些粒子碰撞反应机理及其中间体的形成机理后,获得了相应中间体的几何结构、过渡态及反应活化能,并运用前线轨道理论分析了BTO分子形成的机理。研究表明在BTO薄膜生长初期会以TiO2分子为中心,结合BaO分子成核生长,并经由类似于BTO单原胞中的钛酸钡分子结构形成大量的具有钙钛矿结构雏形的BTO原胞。对BTO初期粒子(以BaO和TiO2分子为例)在Si基表面吸附生长的研究采用从头计算分子动力学方法。模拟计算得到吸附过程的运动轨迹及每个时刻的能量,并找出每个阶段的吸附能。通过吸附能大小的比较,发现TiO2优先于BaO分子在驰豫的Si基表面发生吸附,说明生长将以TiO2为中心。另外,利用Mulliken电荷布局和前线轨道理论分别对BaO分子和TiO2分子在Si基表面的吸附过程作了具体的成键分析,发现BaO分子的吸附过程中,O原子与基底表面的Si原子结合后,Ba—O键发生断裂;而TiO2分子的吸附过程中,Si原子先与其中一个O原子结合,再与Ti原子结合,形成以Ti为中心的稳定四面体结构。这些分析结果都与动力学过程相一致。最后,对于BTO分子在Si基表面的吸附情况,我们结合前面研究的BTO原胞形成机理,并对比分析BaO和TiO2分子吸附过程,得出这样的猜测:基底表面Si原子先与BTO分子中的两个O原子吸附,再与Ti原子发生结合,而BTO分子中剩下的一个O原子将在孤电子对的作用下靠近Ba原子,形成类似于金刚体的稳定结构。
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