第一性原理研究BaTiO3-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子特性.pdf

1、鐵電－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)Si基MIS結(jié)構(gòu)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，在現(xiàn)代集成鐵電器件領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣。本文基于第一性原理計(jì)算軟件CASTEP主要研究由典型鐵電材料BaTiO3、半導(dǎo)體材料ZnO構(gòu)成的BaTiO3-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在理論層次上對(duì)其電子特性進(jìn)行探索性研究，為今后鐵電－半導(dǎo)體納米器件的研制提供理論依據(jù)。
　　首先，本文針對(duì)基態(tài)下BaTiO3（001）表面和ZnO的各種極性表面結(jié)構(gòu)，從能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等方面進(jìn)行了詳

2、細(xì)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(xiàn)出較好的吸附特性，因此適用于薄膜的外延生長(zhǎng)。ZnO各種極性表面由于相結(jié)構(gòu)、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(dǎo)體特性，尤其是閃鋅礦結(jié)構(gòu)的禁帶寬度更大，約1.803 eV，適應(yīng)半導(dǎo)體工藝的需要。
　　其次，基于分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)ZnO分子在BaTiO3（001）終端表面的吸附過(guò)程進(jìn)行初步模擬。BaO終端表面的吸

3、附過(guò)程受溫度場(chǎng)的調(diào)制作用很差；相反，TiO2終端表面因具有較強(qiáng)的吸附特性而表現(xiàn)出溫度效應(yīng)下特有的吸附機(jī)制，并且溫度場(chǎng)的存在對(duì)這種吸附結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化過(guò)程影響很大，這與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)情況相符，因此TiO2終端表面為BaTiO3-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了界面基礎(chǔ)。
　　最后，從界面原子結(jié)構(gòu)出發(fā)深入討論了BaTiO3-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子特性，其中帶偏計(jì)算表明電子從ZnO一側(cè)難以越過(guò)界面勢(shì)壘到達(dá)BaTiO3側(cè)，從而為研制基于鐵電－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)

4、構(gòu)的納米器件提供了可能。接著，結(jié)合ZnO-BaTiO3-ZnO雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步討論了電場(chǎng)作用下BaTiO3材料所表現(xiàn)出來(lái)的獨(dú)特器件特性—極化反轉(zhuǎn)效應(yīng)，并以此解釋了鐵電存儲(chǔ)器的工作機(jī)理，最后概述了極化耦合效應(yīng)對(duì)改善鐵電存儲(chǔ)器性能的重要意義。
　　當(dāng)前鐵電－半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究主要基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xì)地分析了BaTiO3-ZnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子特性，