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二氧化铪体系电子结构及硅纳米线力学行为的第一性原理研究

作　者: 陈国红
导　师: 龚新高
学　校: 复旦大学
专　业: 理论物理
关键词: 密度泛函理论 第一性原理计算 高介电常数材料 电子结构计算 掺杂 d~0铁磁性 能带偏移 硅纳米线 断裂机制
分类号: O481
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对二氧化铪体系的电子结构和硅纳米线的力学行为进行了理论研究。主要研究内容包括：掺杂钇对立方相二氧化铪的结构稳定性和缺陷性质的影响；不同晶相二氧化铪的低密勒指数表面体系的表面弛豫、表面磁性、表面能和表面电子结构的研究分析；非晶相二氧化铪模型的构造以及非晶相二氧化铪-硅界面的原子构型和能带偏移值的计算；一维硅纳米线在拉伸应力下的结构演化和断裂机制的研究。本论文分为六章。第一章介绍二氧化铪体系和硅纳米线体系在实验研究、工业应用中的重要性以及采用理论模拟的必要性。第二章具体讨论文中计算模拟方法的理论基础以及实现方法。第三章、第四章和第五章都是有关二氧化铪体系的模拟、分析和结果讨论。具体地,第三章讨论了掺杂钇对立方相二氧化铪晶体结构和电子结构的影响。通过对掺杂前后体系能量的比较,发现掺杂钇能够使得常温下并不稳定的立方相二氧化铪得到稳定；对体系中氧空位缺陷的研究表明：未掺杂之前,中性的氧空位结构更容易形成,但是掺杂钇之后,缺陷体系更倾向于失去一个电子,并且对掺杂前后缺陷体系的电子结构分析发现,掺杂会使得原来存在的杂质能级消失,结果和实验上光电子能谱的观察相吻合,从而从原子层次解释了掺杂钇对立方相二氧化铪结构稳定性和缺陷行为的影响。第四章讨论了单斜相、四方相和立方相二氧化铪的低密勒指数表面的结构弛豫、表面形成能、表面磁性和电子结构性质。结果表明：表面体系的弛豫能够不同程度地降低表面能,从而使表面结构得到更好的稳定；铪氧键的离子性特征对于解释表面正负离子的不同弛豫方式起着关键的作用。一般来说,化学配比的表面体系具有更低的表面形成能。但是某些非化学配比的亚稳表面结构的形成能与最稳定表面的形成能之间的差异不是很大,即在实验中的某些化学环境下,可以观察到这些体系的存在。通过自旋极化的计算,发现多氧的表面体系,即体系中氧铪的比例大于二比一的情形,存在着d0铁磁性,分析表明这是由氧原子2p轨道很强的自旋交换作用和价带顶附近很高的氧2p电子的态密度共同作用的结果。这在一定程度上解释了实验和理论上关于二氧化铪体系中d0铁磁性的争论。第五章是关于非晶相二氧化铪-硅界面的原子构型和电子结构性质的研究。首先,我们利用第一性原理分子动力学的方法,在“熔化-淬火”方案下,构造得到了非晶相的二氧化铪结构,分析表明：得到的二氧化铪非晶相的结构特征能够很好地与实验的观察相符合。进而,我们研究了非晶二氧化铪和硅之间界面的原子构型和电子结构。结果发现,体系中的界面态主要是来源于界面附近的硅铪键；对能带偏移值的计算显示,硅和二氧化铪之间的价带偏移值和导带偏移值都能很好地与实验比较,并且能够满足器件应用中的性能要求。第六章对沿[001]方向生长的硅纳米线的拉伸过程进行了准静态的模拟,研究了在拉伸应变下硅纳米线的结构演化和断裂机制。

全文目录


目录  3-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
第一章 引言  10-18
  1.1 高介电常数材料  11-13
    1.1.1 介电常数  11
    1.1.2 等效栅氧化层厚度  11-12
    1.1.3 高K材料的选取  12
    1.1.4 二氧化铪的理论研究  12-13
  1.2 硅纳米线  13-16
    1.2.1 硅纳米线的制备、表征、性能  13-14
    1.2.2 硅纳米线的力学性质  14-16
  参考文献  16-18
第二章 理论基础与计算方法  18-36
  2.1 密度泛函理论  18-29
    2.1.1 多粒子体系的Schrodinger方程  18-19
    2.1.2 Born-Oppenheimer近似  19-20
    2.1.3 Hohenberg-Kohn定理  20-22
    2.1.4 Kohn-Sham方程  22-23
    2.1.5 交换关联势  23-25
    2.1.6 Kohn-Sham方程的求解  25-29
  2.2 相关算法  29-32
    2.2.1 力与应力  29-30
    2.2.2 数值算法  30-32
  参考文献  32-36
第三章 钇掺杂对二氧化铪结构和缺陷性质的影响  36-56
  3.1 二氧化铪的晶体结构  36-39
    3.1.1 相图  36-37
    3.1.2 研究进展  37-39
  3.2 研究方法  39-41
    3.2.1 状态方程  39-40
    3.2.2 缺陷形成能  40-41
    3.2.3 电离能  41
  3.3 结果和讨论  41-49
    3.3.1 钇掺杂对立方相二氧化铪结构的稳定  41-44
    3.3.2 钇掺杂对氧空位行为的影响  44-49
  3.4 小结  49-52
  参考文献  52-56
第四章 二氧化铪的表面弛豫和表面磁性  56-78
  4.1 研究背景  56-57
  4.2 研究体系  57
  4.3 研究方法  57-59
  4.4 结果和讨论  59-73
    4.4.1 体相结构的计算结果  59-60
    4.4.2 表面能  60-64
    4.4.3 表面弛豫  64-66
    4.4.4 表面电子结构  66
    4.4.5 表面磁性  66-73
  4.5 小结  73-74
  参考文献  74-78
第五章 非晶相二氧化铪-硅界面的原子构型和电子结构性质  78-90
  5.1 研究背景  78
  5.2 研究方法  78-79
  5.3 非晶相二氧化铪  79-82
    5.3.1 模型的构建  79
    5.3.2 模型的结构分析  79-82
  5.4 界面的原子构型和电子结构  82-84
  5.5 能带偏移值的计算  84-87
  5.6 小结  87-88
  参考文献  88-90
第六章 硅纳米线的拉伸力学行为  90-102
  6.1 研究背景  90
  6.2 研究方法  90-91
    6.2.1 参数设置  90-91
    6.2.2 初始结构的选取  91
    6.2.3 准静态的拉伸过程  91
  6.3 结果和讨论  91-97
  6.4 小结  97-100
  参考文献  100-102
发表文章目录  102-103
致谢  103-104

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 固体理论
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