铅基合金薄膜量子生长模式及表面偏析的第一性原理研究

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了不同价态金属元素掺杂对Pb薄膜稳定性的调制，以及Friedel振荡对合金表面偏析的影响。研究内容主要分为以下三个部分:
　　1.研究了Bi元素不同掺杂浓度对Pb(111)薄膜稳定性的调制，主要得到以下几点结论:掺入Bi元素，形成“类n型”掺杂（掺杂元素价电子数目大于Pb原子），Pb薄膜仍能够表现出较强的量子尺寸效应，稳定性表现出奇偶振荡的规律，随着杂质浓度的增加，拍频周期逐渐增加;与未掺杂Pb薄膜相比，量子尺寸效应减弱;衬底不改变合金薄膜的双层生长模式，拍频效应仍然存在，拍频周期不变，但奇-偶转变点位置发生改变。
　　2.研究了不同价态金属元素对自由Pb(111)薄膜稳定性的调制，主要得出以下几个结论:掺杂元素种类不影响Pb(111)薄膜的双层振荡生长模式;在相同掺杂比例的情况下，量子尺寸效应只与价电子电子数目有关，与原子半径及晶格常数无关;随着掺杂金属元素价电子数目变化，拍频周期呈现出“余弦函数模式”:(1)“类n型”掺杂，五价元素符合自由电子模型，但随着价电子数目的增加，拍频周期先变大随后减小，逐渐偏离自由电子模型。(2)“类p型”掺杂，三价元素符合自由电子模型，但随着价电子数目的减少，拍频周期逐渐变大，偏离自由电子模型。(3)不符合自由电子模型的合金薄膜转变点位置存在明显相移，而符合自由电子模型的则不存在相移。
　　3.研究了Friedel振荡对二元合金表面偏析的影响，发现在表面层以下，基体元素的Friedel振荡决定各层的偏析行为:Friedel振荡会引起表面各层电荷密度增大或减小，当杂质元素价电子数目大于基体元素时，它们倾向于聚集在电荷密度增大的原子层;而杂质元素价电子数小于基体元素时，它们倾向于聚集在电荷密度减小的原子层;当杂质元素价电子数等于基体元素时，则没有偏析行为。

目录

声明

摘要

图和附表清单

第1章 引言

1．1 低维材料系统和尺寸效应

1．1．1 低维系统的概念

1．1．2 薄膜的量子尺寸效应

1．2 薄膜的生长与生长模式

1．2．1 薄膜生长模式的经典理论

1．2．2 超薄薄膜生长模式的量子理论—电子生长概念

1．3 薄膜电子生长理论—薄膜稳定性与能量判据

1．3．1 薄膜厚度与能量的关系

1．3．2 薄膜稳定性的判据

1．3．3 表面能的计算

1．3．4 自由电子金属薄膜情况

1．4 金属Pb薄膜的电子生长研究进展

1．4．1 Pb超薄薄膜的实验研究进展

1．4．2 Pb超薄薄膜的理论研究进展

1．4．3 Pb超薄薄膜的生长机制—自由电子模型

1．4．4 相位累加模型和“拍频效应”

1．5 薄膜生长模式调制的可能性

1．5．1 研究思路—通过掺杂改变薄膜生长模式调制

1．5．2 研究内容

第2章 第一性原理计算方法

2．1 多电子体系问题

2．1．1 Born-Oppenheimer近似

2．1．2 Hartree-Fock(HF)近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenberg-Kohn定律

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 交换-关联泛函

2．3 赝势方法

2．3．1 Ultrasoft(US)赝势

2．3．2 PAW赝势

2．4 具体数值计算应用

2．4．1 自洽运算

2．4．2 基函数-平面波方法

2．4．3 常用计算软件

第3章 “类n型”掺杂对Pb合金薄膜的生长模式的调制

3．1 研究动机和研究背景

3．1．1 研究动机

3．1．2 实验结果

3．2 计算方法和合金薄膜第一性原理描述

3．2．1 计算方法概述

3．2．2 对不同掺杂浓度合金薄膜的描述

3．2．3 “晶格旋转匹配方法”

3．2．4 合金薄膜的晶格常数的确定

3．3 Bi对Pb薄膜的生长模式的调制作用及其对薄膜特性的调制

3．3．1 自由PbBi合金薄膜的量子尺寸效应

3．3．2 PbBi合金薄膜的量子尺寸效应对合金薄膜性能的调制作用

3．3．3 合金杂质组分对合金薄膜的生长模式的调制和影响

3．3．4 Si(111)衬底对PbBi合金薄膜生长模式的调制与影响

3．4 研究结论与下一步工作展望

第4章 “类p型”掺杂对Pb合金薄膜的生长模式的调制

4．1 问题的提出与研究背景

4．1．1 研究动机

4．1．2 Ga元素掺杂的PbGa合金薄膜的实验结果

4．1．3 计算细节说明

4．2 “类p型”掺杂对Pb薄膜生长模式的调制作用和影响

4．2．1 TI、Ga元素掺杂情况

4．2．2 其他杂质情况

4．3 “自由电子模型”解释以及超出自由电子模型的情况

4．3．1 自由电子模型对拍频效应形成的解释

4．3．2 自由电子模型对合金薄膜拍频周期改变的解释

4．3．3 合金薄膜奇偶转变点相移的解释

4．4 研究结论与“量子合金”设计展望

第5章 表面弗里德尔振荡对合金表面偏析的调制

5．1 研究背景与研究动机

5．1．1 台金偏析的概念

5．1．2 几个典型的例子

5．1．3 合金表面偏析理论及其研究进展

5．1．4 研究动机和研究内容

5．2 计算模型

5．3 Mo、Rh基合金表面偏析特性的研究及其偏析机制

5．3．1 MoxM1-x(100)合金体系的偏析规律

5．3．2 MoxM1-x(100)表面Fredel振荡对合金偏析的影响规律和调制

5．3．3 RhxM1-x(111)合金体系

5．4 本章结论与展望

附录A C60分子在金刚石(100)-2x1表面的吸附研究

A．1 背景介绍

A．2 研究方法

A．3 计算结果

A．3．1 几何结构

A．3．2 电子结构

A．4 结论与展望

第6章 总结及展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢