利用原子操纵技术实现金属表面单原子掺杂的理论研究

摘要

随着技术的进步，器件的尺度可以缩小到纳米甚至原子尺度，在这种情况下，器件中的掺杂原子的数量和位置都会对器件的性质产生较大的影响，甚至单个掺杂原子都会影响继而决定器件的性能，由此产生了精确掺杂单个原子的需求。现有的单原子掺杂方法例如单离子注入和STM辅助刻蚀等，虽然能完成单个原子的掺杂，但其精度并未达到真正的原子级精度。那么寻求一种具备原子级精度的掺杂方法就很有必要了。众所周知，使用探针进行原子操纵的技术经过二十多年的研究，已成为一项较为成熟的技术并在纳米制造和工程上具备广泛的应用前景。利用探针进行单原子操纵具备极高的精度，这得益于探针对原子的直接控制。那么自然我们便考虑利用单原子操纵技术来进行单原子掺杂。这是本文研究的出发点。我们的研究采用基于第一性原理的计算和模拟方法，提出了一种利用探针操纵在金属表面进行单原子替换掺杂的方案，并研究了实现该方案的一些操纵细节和可靠性等。
　　本文第一章简要回顾了单原子操纵技术以及单原子掺杂技术，简述了这些技术的发展与现状，并提出了本文研究的出发点和目标，以及本文所完成的工作。
　　第二章简要介绍了本文研究所使用的第一性原理计算方法，并简单介绍了我们研究中使用的VASP软件。
　　第三章中详细阐述了如何利用原子操纵技术实现单原子的掺杂。我们的研究通过第一性原理模拟提出了一种可行可靠的单原子替换掺杂的方案。该方案全过程包括使用三原子针尖探针提取台阶边缘Al原子和使用含有掺杂原子的单原子针尖探针释放掺杂原子两步。其中释放掺杂原子的过程又分为两个步骤，首先探针定位于吸附位正上方竖直下降，当探针降低到7.1(A)（释放Ag原子）时，再改为横向移动探针，探针移动一定距离后针尖的掺杂原子会落到吸附位中。本研究还探索了不同的释放掺杂原子的方法，即通过纵向撤走探针的方式来释放掺杂原子，结果表明该方法并不能可靠地释放掺杂原子。我们的研究还利用势能曲线来阐明提取和释放原子的原理并说明了操纵的可靠性。
　　第四章则总结了本文的研究结论并对未来的研究进行了展望。我们提出的方法实现了台阶边缘替换掺杂，意味着可以从组分上对团簇进行修饰。这对在材料表面构造新型纳米结构和功能器件无疑是有重要意义的，而且这也是开发原子操纵技术的一个主要目的和应用领域。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

§1．1 单原子操纵技术简介和研究进展

§1．2 单原子掺杂技术简介和研究进展

§1．3 本文所研究的问题

第二章 计算方法

§2．1 引言

§2．2 第一性原理计算的基本理论和方法

§2．2．1 Born-Oppenheimer绝热近似

§2．2．2 密度泛函理论(DFT)

§2．2．3 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)

§2．2．4 平面波赝势方法

§2．2．5 Hellmann-Feynman定理

§2．2．6 Kohn-Sham方程的自恰求解

§2．2．7 VASP软件

第三章 利用原子操纵技术实现Al(111)表面的单原子替换掺杂

§3．1 引言

§3．2 计算模型和参数

§3．3 利用三原子针尖探针提取表面原子

§3．3 使用单原子探针释放掺杂原子的过程

§3．4 其它释放针尖杂质原子的方法

§3．5 小结

第四章 总结与展望

参考文献

硕士期间发表的论文

致谢