AlN在α-Al2O3(0001)名義吸附內(nèi)中的實(shí)踐鉆研(1)
采納基于密度泛函實(shí)踐的立體波超軟贗勢(shì)法,對(duì)α-Al2O3(0001)名義吸附AlN繼續(xù)了能源學(xué)模仿劃算,鉆研了AlN分子在a-Al2O3(0001)名義吸附成鍵內(nèi)中、吸附能量與成鍵方位。劃算表明吸附內(nèi)中閱歷了物理吸附、化學(xué)吸附與穩(wěn)固態(tài)構(gòu)成的內(nèi)中,其化學(xué)聯(lián)合能達(dá)成4.844eV。吸附后AlN化學(xué)鍵(0.189±0.010nm)與最近鄰的名義Al-O鍵有30°的偏轉(zhuǎn)觀點(diǎn),Al在名義較穩(wěn)固的化學(xué)吸附地位正好偏離名義O六角對(duì)稱約30°,使得AlN與藍(lán)寶石之間的晶格失配度升高。
α-Al2O3,又稱剛玉,寬泛地用作制備AlN、ZnO等電子地膜半超導(dǎo)體資料的基片。藍(lán)寶石基片上成長(zhǎng)AlN地膜在微電子、電子元件、高頻寬帶通信以及功率半超導(dǎo)體器件等畛域存在利用前景。其中采納分子束內(nèi)涵(MBE)、激光脈沖沉積(PLD)、射頻磁控濺射沉積(MRS)、微波等離子體輔助濺射、溶膠-凝膠(solgel)、非金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、激光分子束內(nèi)涵(LMBE)、激光化學(xué)氣相沉積(LCVD)等真空技能成長(zhǎng)的AlN地膜品質(zhì)較高。
在這方面,對(duì)于AlN地膜在α-Al2O3(0001)基底上的制備步驟與成長(zhǎng)特點(diǎn)有較多的試驗(yàn)鉆研報(bào)導(dǎo),而對(duì)AlN地膜在α-Al2O3(0001)名義的最后成長(zhǎng)機(jī)理尚不足實(shí)踐劃算鉆研。
在真地面,采納內(nèi)涵成長(zhǎng)合議制備地膜的成長(zhǎng)內(nèi)中中,率先基片的名義構(gòu)造、缺點(diǎn)等強(qiáng)烈地莫須有地膜成長(zhǎng)的格式、形貌以及界面特點(diǎn),從而對(duì)地膜資料的性能起到?jīng)Q議性作用。再有,沉積粒子在基片名義吸附、放散、聯(lián)合,對(duì)成核和成長(zhǎng)年初階段的性質(zhì)有無(wú)比不足道的莫須有,并間接莫須有著將要構(gòu)成的整個(gè)地膜的品質(zhì)。因?yàn)槊x試驗(yàn)綜合技能對(duì)表層原子團(tuán)構(gòu)造、名義鍵合與名義電荷、名義吸附以及名義位能等上面的鉆研依然不足充足的試驗(yàn)鉆研,尤其是對(duì)雜的氧化物名義。因而使用牢靠的實(shí)踐劃算鉆研結(jié)晶體名義、及其名義的化學(xué)與物理吸附,已變成一種不足道的結(jié)晶體名義鉆研步驟。
為了減小失配度而普及AlN地膜的品質(zhì)曾經(jīng)做了一大批的鉆研。從實(shí)踐下去講,AlN與藍(lán)寶石在c軸上的晶格失配度無(wú)比大(61.11%),但試驗(yàn)報(bào)導(dǎo)AlN依然能夠在藍(lán)寶石基底上成長(zhǎng),這是因?yàn)榻?jīng)過物理步驟使得AlN先成核,而后再吸附在基底下面或者是先讓GaN等做一個(gè)緩沖層,而后再吸附。同聲董樹榮在FBAR用AlN地膜的射頻反響濺射制備鉆研一文中也提出了AlN地膜能夠勻稱的沿c軸堆垛成長(zhǎng)。然而,到眼前為止,在試驗(yàn)上還無(wú)奈從原子團(tuán)尺度上失掉粒子吸附成長(zhǎng)內(nèi)中的宏觀靜態(tài)信息,如基底名義物理、化學(xué)吸附成長(zhǎng)的內(nèi)中,以及粒子最后在名義的吸附地位以及靜止軌跡。因而對(duì)該署上面,有多余進(jìn)一步鉆研。<
白文重要目標(biāo)是鉆研AlN單分子在α-Al2O3(0001)名義的吸附,意思調(diào)度如次:第1節(jié)簡(jiǎn)要說明了物理模子與劃算步驟,第2節(jié)重點(diǎn)闡述并探討了AlN的吸附內(nèi)中與名義構(gòu)造,最初第3節(jié)繼續(xù)了下結(jié)論。1、物理模子與劃算步驟
咱們曉得,AlN在α-Al2O3(0001)名義放散、吸附地位及鍵競(jìng)爭(zhēng)用關(guān)系到AlN粒子簇小島進(jìn)一步的構(gòu)成,莫須有AlN地膜的成長(zhǎng)。因而鉆研綜合AlN在基底名義的吸附內(nèi)中與成鍵特點(diǎn),對(duì)鉆研AlN地膜成長(zhǎng)年初的機(jī)理有無(wú)比不足道的意思。α-Al2O3(0001)名義的原子團(tuán)與名義電子態(tài)對(duì)國(guó)產(chǎn)粒子的吸附間接有關(guān),為此,咱們率先有多余失去一個(gè)已弛豫的α-Al2O3(0001)名義,綜合其名義原子團(tuán)與電子構(gòu)造,進(jìn)一步結(jié)構(gòu)AlN的吸附模子。
對(duì)AlN的吸附模子,基片采納文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)已優(yōu)化的超晶胞6個(gè)原子團(tuán)層的slab名義(2×1)模子,名義終止原子團(tuán)為單層Al的名義構(gòu)造。為了視察AlN分子中的N和Al同基片名義的Al、O聯(lián)合先后內(nèi)中,咱們將優(yōu)化失去的氣態(tài)AlN分子(鍵距0.185nm),程度置入基片上空,間隔基片名義013nm,充足思忖了真空區(qū)高低較小對(duì)劃算的莫須有,因而真空層設(shè)置為210nm,如圖1(a)。其中思忖了名義吸附地位、吸附分子構(gòu)造和地面著落的方位。為了表述不便,AlN分子中的N同名義的Al聯(lián)合示意為(Al)N-Al,其Al同基片名義的O聯(lián)合,示意為Al-O(基片)。
α-Al2O3(0001)基片名義原子團(tuán)構(gòu)造為氧6重對(duì)稱構(gòu)造,為了考查名義重要吸附地位,設(shè)定了8個(gè)相反的重要吸附地位,該署地位理論上能夠看作是AlN地膜的最后成長(zhǎng)點(diǎn),見圖1(b)。在(2×1)的吸附模子圖1中,咱們僅思忖了AlN分子程度從地面倒塌的兩種狀況。一是模子A:Al、N別離坐落吸附位S7和S6上空,如圖1(c)所示,AlN分子中的Al與名義兩個(gè)Al間隔相當(dāng),而N間隔名義Al②較近。另一種狀況相同,如圖1(d)模子B所示,N與名義兩個(gè)Al間隔相當(dāng),而AlN分子中Al間隔名義Al②較近。吸附模子A與模子B用來(lái)視察AlN分子中的Al和N間隔名義A1遠(yuǎn)近對(duì)名義吸附的莫須有。
圖1 AlN/a-Al2O3(0001)名義吸附地位與AlN吸附模子(a)裂片吸附模子,(b)高層相反吸附地位,(c)吸附模子A,(d)吸附模子B�！D中灰色小球代辦基片O原子團(tuán),標(biāo)為O2;彩色小球代辦基片Al原子團(tuán);較大的彩色球代辦基片名義的兩個(gè)Al原子團(tuán),別離標(biāo)記為Al①和Al②;較大的灰色球代辦基片O原子團(tuán),標(biāo)記為O1;紅色小球代辦N原子團(tuán),較大的深灰色色小球代辦AlN中的Al原子團(tuán)。
咱們采納基于密度泛函實(shí)踐(densityfunctionaltheory,DFT)總能量贗勢(shì)法,由CASTEP(cambridgese2rialtotalenergypackage)硬件包兌現(xiàn)劃算。使用D.Vanderbilt提出的超軟贗(ultrasoftpseudopotentials,USP)來(lái)形容離子實(shí)與電子對(duì)之間的彼此作用(O2s22p4,Al3s23p1,N2s22p5)。對(duì)電子交流有關(guān)項(xiàng)的劃算取舍了Perdew等提出的狹義梯度相近(generalgradientapproximation,GGA)修改步驟(PW91)內(nèi)容。經(jīng)過后面下結(jié)論綜合α-Al2O3(0001)名義的劃算,咱們曉得使用密度泛函實(shí)踐,絕對(duì)于聯(lián)合能的劃算來(lái)說,在劃算鍵長(zhǎng)與多少何構(gòu)形時(shí),對(duì)劃算條件比較不敏感,電荷密度散布隨劃算條件的變遷比較小,絕對(duì)均方差在10-4量級(jí),尤其關(guān)于數(shù)值積分點(diǎn)數(shù)不敏感。為了適當(dāng)減小能源學(xué)的演算量,在采納超軟贗勢(shì)劃算時(shí),能夠適當(dāng)減小截?cái)嗄蹺cut的取值,咱們?nèi)〗財(cái)嗄芰縀cut為340eV。在對(duì)2×2名義構(gòu)造的優(yōu)化中,采納了BFGS算法(BroydenFletcherGoldfarbandShanno,BFGS),布里淵區(qū)k2point取的是3×3×2,即18個(gè)K-point。對(duì)2×1名義AlN的吸附能源學(xué)模子,咱們使用了CASTEP硬件包中的能源學(xué)程序布里淵區(qū)k-point取的是5×2×1,即10個(gè)k-point,積分工夫步長(zhǎng)設(shè)為1.0fs,模仿總工夫?yàn)?.5ps,體系熱度恒定于500℃。經(jīng)過對(duì)α-Al2O3(0001)名義構(gòu)造優(yōu)化與弛豫劃算,以及對(duì)AlN分子鍵長(zhǎng)、鍵能試算,后果都無(wú)比好地吻合于文獻(xiàn)值,同聲與Gauss98硬件包所劃算的AlN鍵長(zhǎng)值(0.170nm)也無(wú)比統(tǒng)一,表明咱們劃算后果是牢靠的。
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