第一性原理研究BaTiO3-ZnO異質結構的電子特性.pdf

1、鐵電－半導體異質結構作為傳統(tǒng)Si基MIS結構的有力競爭者，在現代集成鐵電器件領域的應用越來越廣。本文基于第一性原理計算軟件CASTEP主要研究由典型鐵電材料BaTiO3、半導體材料ZnO構成的BaTiO3-ZnO異質結構，在理論層次上對其電子特性進行探索性研究，為今后鐵電－半導體納米器件的研制提供理論依據。
　　首先，本文針對基態(tài)下BaTiO3（001）表面和ZnO的各種極性表面結構，從能帶結構、態(tài)密度、電荷密度分布等方面進行了詳

2、細分析，其中 BaTiO3表面的TiO2終端因Ti原子懸掛鍵的存在，引入表面態(tài)，其穩(wěn)定性下降，并呈現出較好的吸附特性，因此適用于薄膜的外延生長。ZnO各種極性表面由于相結構、終端原子、極化取向的不同，特性差異較大，其中Zn終端表面呈半導體特性，尤其是閃鋅礦結構的禁帶寬度更大，約1.803 eV，適應半導體工藝的需要。
　　其次，基于分子動力學方法對ZnO分子在BaTiO3（001）終端表面的吸附過程進行初步模擬。BaO終端表面的吸

3、附過程受溫度場的調制作用很差；相反，TiO2終端表面因具有較強的吸附特性而表現出溫度效應下特有的吸附機制，并且溫度場的存在對這種吸附結構的穩(wěn)定化過程影響很大，這與實際的實驗情況相符，因此TiO2終端表面為BaTiO3-ZnO異質結構的構建提供了界面基礎。
　　最后，從界面原子結構出發(fā)深入討論了BaTiO3-ZnO異質結構的電子特性，其中帶偏計算表明電子從ZnO一側難以越過界面勢壘到達BaTiO3側，從而為研制基于鐵電－半導體異質結

4、構的納米器件提供了可能。接著，結合ZnO-BaTiO3-ZnO雙異質結構模型，進一步討論了電場作用下BaTiO3材料所表現出來的獨特器件特性—極化反轉效應，并以此解釋了鐵電存儲器的工作機理，最后概述了極化耦合效應對改善鐵電存儲器性能的重要意義。
　　當前鐵電－半導體異質結構的研究主要基于實驗測量，而實驗數據在很大程度上依賴工藝條件等外在因素，因此可信度不高，而本文在理論層次上首次詳細地分析了BaTiO3-ZnO異質結構的電子特性，