硅（001）表面吸附金属铝的第一性原理研究

摘要

金属原子在半导体表面的吸附特征，是半导体器件物理和现代电子工业的重要课题，通过材料制备工艺、微结构表征技术和材料物理计算等方法，研究金属一半导体表面、界面的结构特征，对于深入理解和应用它的理化功能具有重要的意义。密度泛函理论及其方法已经成为先进材料设计和固态结构计算的有效工具，金属铝和铜作为重要的电极材料，在硅(Si)基半导体工业中有着广泛的用途。 本文用密度泛函理论的广义梯度近似、第一性原理方法，计算了Si(001)-(2×1)表面吸附金属铝的化学态及电子结构。通过表面能的计算，我们着重研究金属铝原子在Si(001)-(2×1)表面的化学吸附现象，在具体计算中，选取了超单胞模型：用五个硅原子层来模拟基底，最低层的硅原子用H原子来饱和，以此消除超单胞之间的库仑相互作用，使得该吸附系统更接近体相，同时包含10(A)的真空层。 通过中间层硅原子的态密度与体相硅原子的态密度对比，结果表明，以上模型是合理的。计算中涉及到多个因素，主要有：硅清洁表面和吸附体系的几何结构、铝原子在不同位置的吸附能、铝原子的表面形成能、硅清洁表面的功函数以及吸附体系的功函数变化、吸附体系和Si(001)-(2×1)表面的局域态密度和投影态密度、以及贝德(bader)电荷转移、电荷密度和吸附体系的差分电荷密度、以及不同覆盖度时吸附铝原子在硅表面的扩散等。 通过吸附能的计算得到表面覆盖度是0.5ML和1ML时，其最稳定的吸附位置是HH和T3+T4，清洁Si(001)-(2×1)表面弛豫得到反对称的二聚物(dimer)结构，但是吸附体系Si(001)-(2×1)表面的反对称dimer结构消失，同时吸附体系的Si-Si键长有被拉长的趋势。计算吸附体系的功函数变化时，我们与碱金属在硅表面的吸附情况进行了对比，结果表明二者具有促使功函数变化相反的趋势。同时，为了研究不同覆盖度的相稳定性，我们计算了吸附系统的表面形成能，随着铝的相对化学势的变化，表面相稳定也在相应的变化。为了研究吸附系统的Al-Si键的性质，计算了清洁硅表面和吸附系统的局域和投影态密度、以及吸附系统的差分电荷密度分布，结果表明吸附原子和基底形成离子键，这与bader电荷转移是一致的。用cNEB方法研究吸附铝原子在硅表面的扩散时，发现不同覆盖度时差别较大，低覆盖度时扩散比较复杂，而且吸附铝原子的扩散对基底的影响较大，硅表面对称的dimer结构的两个硅原子有向相反方向扩散的趋势，相比较而言，高覆盖度时扩散显得比较容易，吸附铝原子经历了唯一一个鞍点后找到了稳定的吸附位置，但是初末位置附近发现了两个次稳定的位置。

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英文文摘

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第一章绪论

1.1 研究的意义

1.2 国内外研究概况

1.3 主要研究内容

第二章研究方法

2.1 计算材料学和材料设计

2.1.1 材料设计概述

2.1.2 材料设计的发展概况

2.1.3 材料设计中的计算机模拟

2.1.4 第一性原理软件包VASP简介

2.2 量子化学计算理论

2.2.1 密度泛函理论

2.2.2 LDA近似

2.2.3 GGA近似

2.2.4 布洛赫定理

2.2.5 赝势方法

2.2.6 PAW方法

2.2.7 表面处理方法简介

2.2.8 结构优化

2.2.9 Hellmann-Feynman力

2.2.10 最陡下降法

2.2.11. 共轭梯度法

2.2.12 自洽计算

第三章硅表面铝吸附的第一性原理研究

3.1 硅清洁表面性质

3.2 硅表面0.5ML的铝吸附

3.2.1 吸附体系几何结构的计算

3.2.2 吸附体系电子结构的计算

3.3 硅表面1ML的铝吸附

3.3.1 吸附体系几何结构的计算

3.3.2 吸附体系电子结构的计算

第四章 吸附体系的相稳定性和铝原子扩散的研究

4.1 吸附体系的相稳定性

4.2 铝原子扩散的研究

4.2.1 NEB方法

4.2.2 铝原子在硅表面的扩散

第五章结论与展望

5.1. 结论

5.2 展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所作的项目

致 谢