AlN在α-Al2O3(0001)名义吸附内中的实践钻研(1)
采纳基于密度泛函实践的立体波超软赝势法,对α-Al2O3(0001)名义吸附AlN继续了能源学模仿划算,钻研了AlN分子在a-Al2O3(0001)名义吸附成键内中、吸附能量与成键方位。划算表明吸附内中阅历了物理吸附、化学吸附与稳固态构成的内中,其化学联合能达成4.844eV。吸附后AlN化学键(0.189±0.010nm)与最近邻的名义Al-O键有30°的偏转观点,Al在名义较稳固的化学吸附地位正好偏离名义O六角对称约30°,使得AlN与蓝宝石之间的晶格失配度升高。
α-Al2O3,又称刚玉,宽泛地用作制备AlN、ZnO等电子地膜半超导体资料的基片。蓝宝石基片上成长AlN地膜在微电子、电子元件、高频宽带通信以及功率半超导体器件等畛域存在利用前景。其中采纳分子束内涵(MBE)、激光脉冲沉积(PLD)、射频磁控溅射沉积(MRS)、微波等离子体辅助溅射、溶胶-凝胶(solgel)、非金属有机化学气相沉积(MOCVD)、激光分子束内涵(LMBE)、激光化学气相沉积(LCVD)等真空技能成长的AlN地膜品质较高。
在这方面,对于AlN地膜在α-Al2O3(0001)基底上的制备步骤与成长特点有较多的试验钻研报导,而对AlN地膜在α-Al2O3(0001)名义的最后成长机理尚不足实践划算钻研。
在真地面,采纳内涵成长合议制备地膜的成长内中中,率先基片的名义构造、缺点等强烈地莫须有地膜成长的格式、形貌以及界面特点,从而对地膜资料的性能起到决议性作用。再有,沉积粒子在基片名义吸附、放散、联合,对成核和成长年初阶段的性质有无比不足道的莫须有,并间接莫须有着将要构成的整个地膜的品质。因为名义试验综合技能对表层原子团构造、名义键合与名义电荷、名义吸附以及名义位能等上面的钻研依然不足充足的试验钻研,尤其是对杂的氧化物名义。因而使用牢靠的实践划算钻研结晶体名义、及其名义的化学与物理吸附,已变成一种不足道的结晶体名义钻研步骤。
为了减小失配度而普及AlN地膜的品质曾经做了一大批的钻研。从实践下去讲,AlN与蓝宝石在c轴上的晶格失配度无比大(61.11%),但试验报导AlN依然能够在蓝宝石基底上成长,这是因为经过物理步骤使得AlN先成核,而后再吸附在基底下面或者是先让GaN等做一个缓冲层,而后再吸附。同声董树荣在FBAR用AlN地膜的射频反响溅射制备钻研一文中也提出了AlN地膜能够匀称的沿c轴堆垛成长。然而,到眼前为止,在试验上还无奈从原子团尺度上失掉粒子吸附成长内中的宏观静态信息,如基底名义物理、化学吸附成长的内中,以及粒子最后在名义的吸附地位以及静止轨迹。因而对该署上面,有多余进一步钻研。<
白文重要目标是钻研AlN单分子在α-Al2O3(0001)名义的吸附,意思调度如次:第1节简要说明了物理模子与划算步骤,第2节重点阐述并探讨了AlN的吸附内中与名义构造,最初第3节继续了下结论。1、物理模子与划算步骤
咱们晓得,AlN在α-Al2O3(0001)名义放散、吸附地位及键竞争用关系到AlN粒子簇小岛进一步的构成,莫须有AlN地膜的成长。因而钻研综合AlN在基底名义的吸附内中与成键特点,对钻研AlN地膜成长年初的机理有无比不足道的意思。α-Al2O3(0001)名义的原子团与名义电子态对国产粒子的吸附间接有关,为此,咱们率先有多余失去一个已弛豫的α-Al2O3(0001)名义,综合其名义原子团与电子构造,进一步结构AlN的吸附模子。
对AlN的吸附模子,基片采纳文献报导已优化的超晶胞6个原子团层的slab名义(2×1)模子,名义终止原子团为单层Al的名义构造。为了视察AlN分子中的N和Al同基片名义的Al、O联合先后内中,咱们将优化失去的气态AlN分子(键距0.185nm),程度置入基片上空,间隔基片名义013nm,充足思忖了真空区高低较小对划算的莫须有,因而真空层设置为210nm,如图1(a)。其中思忖了名义吸附地位、吸附分子构造和地面着落的方位。为了表述不便,AlN分子中的N同名义的Al联合示意为(Al)N-Al,其Al同基片名义的O联合,示意为Al-O(基片)。
α-Al2O3(0001)基片名义原子团构造为氧6重对称构造,为了考查名义重要吸附地位,设定了8个相反的重要吸附地位,该署地位理论上能够看作是AlN地膜的最后成长点,见图1(b)。在(2×1)的吸附模子图1中,咱们仅思忖了AlN分子程度从地面倒塌的两种状况。一是模子A:Al、N别离坐落吸附位S7和S6上空,如图1(c)所示,AlN分子中的Al与名义两个Al间隔相当,而N间隔名义Al②较近。另一种状况相同,如图1(d)模子B所示,N与名义两个Al间隔相当,而AlN分子中Al间隔名义Al②较近。吸附模子A与模子B用来视察AlN分子中的Al和N间隔名义A1远近对名义吸附的莫须有。
图1 AlN/a-Al2O3(0001)名义吸附地位与AlN吸附模子(a)裂片吸附模子,(b)高层相反吸附地位,(c)吸附模子A,(d)吸附模子B。 图中灰色小球代办基片O原子团,标为O2;彩色小球代办基片Al原子团;较大的彩色球代办基片名义的两个Al原子团,别离标记为Al①和Al②;较大的灰色球代办基片O原子团,标记为O1;红色小球代办N原子团,较大的深灰色色小球代办AlN中的Al原子团。
咱们采纳基于密度泛函实践(densityfunctionaltheory,DFT)总能量赝势法,由CASTEP(cambridgese2rialtotalenergypackage)硬件包兑现划算。使用D.Vanderbilt提出的超软赝(ultrasoftpseudopotentials,USP)来形容离子实与电子对之间的彼此作用(O2s22p4,Al3s23p1,N2s22p5)。对电子交流有关项的划算取舍了Perdew等提出的狭义梯度相近(generalgradientapproximation,GGA)修改步骤(PW91)内容。经过后面下结论综合α-Al2O3(0001)名义的划算,咱们晓得使用密度泛函实践,绝对于联合能的划算来说,在划算键长与多少何构形时,对划算条件比较不敏感,电荷密度散布随划算条件的变迁比较小,绝对均方差在10-4量级,尤其关于数值积分点数不敏感。为了适当减小能源学的演算量,在采纳超软赝势划算时,能够适当减小截断能Ecut的取值,咱们取截断能量Ecut为340eV。在对2×2名义构造的优化中,采纳了BFGS算法(BroydenFletcherGoldfarbandShanno,BFGS),布里渊区k2point取的是3×3×2,即18个K-point。对2×1名义AlN的吸附能源学模子,咱们使用了CASTEP硬件包中的能源学程序布里渊区k-point取的是5×2×1,即10个k-point,积分工夫步长设为1.0fs,模仿总工夫为1.5ps,体系热度恒定于500℃。经过对α-Al2O3(0001)名义构造优化与弛豫划算,以及对AlN分子键长、键能试算,后果都无比好地吻合于文献值,同声与Gauss98硬件包所划算的AlN键长值(0.170nm)也无比统一,表明咱们划算后果是牢靠的。
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