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BaTiO_3-SiC异质结构的第一性原理研究

作　者: 陈天鸥
导　师: 刘向力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料物理化学
关键词: 铁电半导体异质结构 第一性原理 表面结构 能带结构 电子特性
分类号: TN304.01
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


铁电-半导体异质结构作为传统Si基结构的有力竞争者,在现代集成铁电器件领域的应用越来越广。本文采用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SiC构成的BaTiO3-SiC异质结构,在理论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BaTiO3基态下（001）表面和SiC的各种表面结构,从能带结构、态密度、电荷密度分布,表面原子弛豫,表面能等方面进行了详细分析。TiO2终端表面原子弛豫计算所得褶皱参数s为0.092 （?）,大于BaO终端的0.065 ?,同样TiO2终端表面能计算结果为1.21eV大于BaO终端的0.94eV,说明TiO2终端表面由于Ti原子悬挂键的存在其稳定性下降,并呈现出较好的吸附特性,因此适于薄膜的外延生长。SiC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,3C-SiC Si终端表面结构呈半导体性质,计算得到的Si终端表面层弛豫参数δz为-6.524,远大于C终端的-12.032,因而C终端表面弛豫很大而表面重构很少,而Si终端有一定的表面重构,因此适于后面异质结的研究。接着从界面原子结构出发深入讨论了BaTiO3-SiC异质结构的电子特性,从能带结构,分波态密度,界面能量收敛,电荷密度,差分电荷密度等多方面分析了该异质结构,异质结的禁带宽度为0.098eV,BaTiO3一侧有明显的位错,同时界面处生成了两种不同的Si-O键,键长分别为1.82 ?和1.83 ?。最后又做了带偏计算,计算得到的带偏为4.809eV,其结果表明电子从SiC一侧很难越过界面势垒到达BaTiO3侧,从而为研制基于铁电-半导体异质结的纳米器件提供了可能。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 铁电材料与半导体异质结构的研究现状  9-13
    1.1.1 铁电材料BaTi0_3 的研究现状  9-10
    1.1.2 半导体材料SiC的研究现状  10-11
    1.1.3 铁电/半导体异质结构的研究现状  11-13
  1.2 材料计算与设计  13
  1.3 本课题研究目的及意义  13-15
第2章 第一性原理介绍  15-24
  2.1 第一性原理概述  15
  2.2 波函数与电子密度  15-16
  2.3 密度泛函理论  16-19
    2.3.1 交换相关泛函  17
    2.3.2 局域密度近似  17-18
    2.3.3 广义梯度近似  18-19
    2.3.4 密度泛函理论的修正  19
  2.4 基组和赝势  19-21
    2.4.1 基组  19-20
    2.4.2 赝势  20-21
  2.5 Material studio 介绍  21-24
    2.5.1 能带结构介绍  22
    2.5.2 态密度  22-24
第3章 BaTi0_3表面结构研究  24-33
  3.1 BaTi0_3体结构研究  24-27
  3.2 BaTi0_3表面结构研究  27-33
第4章 SiC表面结构研究  33-45
  4.1 SiC体结构研究  33-38
    4.1.1 3C-SiC体结构研究  34-36
    4.1.2 2H-SiC体结构研究  36-38
  4.2 SiC表面结构研究  38-45
    4.2.1 3C-SiC表面结构研究  38-42
    4.2.2 2H-SiC表面结构研究  42-45
第5章 BaTi0_3-SiC异质结构研究  45-62
  5.1 BaTi0_3-SiC异质结构  45-51
    5.1.1 BaTi0_3-SiC异质结构的原子结构  46-50
    5.1.2 BaTi0_3- SiC异质结构的成键过程  50-51
  5.2 BaTi0_3-SiC异质结构的电子特性  51-62
结论  62-63
参考文献  63-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 一般性问题 > 理论
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