AlN在α-Al2O3(0001)名義吸附內中的實踐鉆研(1)
采納基于密度泛函實踐的立體波超軟贗勢法,對α-Al2O3(0001)名義吸附AlN繼續了能源學模仿劃算,鉆研了AlN分子在a-Al2O3(0001)名義吸附成鍵內中、吸附能量與成鍵方位。劃算表明吸附內中閱歷了物理吸附、化學吸附與穩固態構成的內中,其化學聯合能達成4.844eV。吸附后AlN化學鍵(0.189±0.010nm)與最近鄰的名義Al-O鍵有30°的偏轉觀點,Al在名義較穩固的化學吸附地位正好偏離名義O六角對稱約30°,使得AlN與藍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等電子地膜半超導體資料的基片。藍寶石基片上成長AlN地膜在微電子、電子元件、高頻寬帶通信以及功率半超導體器件等畛域存在利用前景。其中采納分子束內涵(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)、非金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、激光分子束內涵(LMBE)、激光化學氣相沉積(LCVD)等真空技能成長的AlN地膜品質較高。
在這方面,對于AlN地膜在α-Al2O3(0001)基底上的制備步驟與成長特點有較多的試驗鉆研報導,而對AlN地膜在α-Al2O3(0001)名義的最后成長機理尚不足實踐劃算鉆研。
在真地面,采納內涵成長合議制備地膜的成長內中中,率先基片的名義構造、缺點等強烈地莫須有地膜成長的格式、形貌以及界面特點,從而對地膜資料的性能起到決議性作用。再有,沉積粒子在基片名義吸附、放散、聯合,對成核和成長年初階段的性質有無比不足道的莫須有,并間接莫須有著將要構成的整個地膜的品質。因為名義試驗綜合技能對表層原子團構造、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鉆研,尤其是對雜的氧化物名義。因而使用牢靠的實踐劃算鉆研結晶體名義、及其名義的化學與物理吸附,已變成一種不足道的結晶體名義鉆研步驟。
為了減小失配度而普及AlN地膜的品質曾經做了一大批的鉆研。從實踐下去講,AlN與藍寶石在c軸上的晶格失配度無比大(61.11%),但試驗報導AlN依然能夠在藍寶石基底上成長,這是因為經過物理步驟使得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。然而,到眼前為止,在試驗上還無奈從原子團尺度上失掉粒子吸附成長內中的宏觀靜態信息,如基底名義物理、化學吸附成長的內中,以及粒子最后在名義的吸附地位以及靜止軌跡。因而對該署上面,有多余進一步鉆研。<
白文重要目標是鉆研AlN單分子在α-Al2O3(0001)名義的吸附,意思調度如次:第1節簡要說明了物理模子與劃算步驟,第2節重點闡述并探討了AlN的吸附內中與名義構造,最初第3節繼續了下結論。1、物理模子與劃算步驟
咱們曉得,AlN在α-Al2O3(0001)名義放散、吸附地位及鍵競爭用關系到AlN粒子簇小島進一步的構成,莫須有AlN地膜的成長。因而鉆研綜合AlN在基底名義的吸附內中與成鍵特點,對鉆研AlN地膜成長年初的機理有無比不足道的意思。α-Al2O3(0001)名義的原子團與名義電子態對國產粒子的吸附間接有關,為此,咱們率先有多余失去一個已弛豫的α-Al2O3(0001)名義,綜合其名義原子團與電子構造,進一步結構AlN的吸附模子。
對AlN的吸附模子,基片采納文獻報導已優化的超晶胞6個原子團層的slab名義(2×1)模子,名義終止原子團為單層Al的名義構造。為了視察AlN分子中的N和Al同基片名義的Al、O聯合先后內中,咱們將優化失去的氣態AlN分子(鍵距0.185nm),程度置入基片上空,間隔基片名義013nm,充足思忖了真空區高低較小對劃算的莫須有,因而真空層設置為210nm,如圖1(a)。其中思忖了名義吸附地位、吸附分子構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聯合示意為(Al)N-Al,其Al同基片名義的O聯合,示意為Al-O(基片)。
α-Al2O3(0001)基片名義原子團構造為氧6重對稱構造,為了考查名義重要吸附地位,設定了8個相反的重要吸附地位,該署地位理論上能夠看作是AlN地膜的最后成長點,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Al間隔相當,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Al間隔相當,而AlN分子中Al間隔名義Al②較近。吸附模子A與模子B用來視察AlN分子中的Al和N間隔名義A1遠近對名義吸附的莫須有。
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。 圖中灰色小球代辦基片O原子團,標為O2;彩色小球代辦基片Al原子團;較大的彩色球代辦基片名義的兩個Al原子團,別離標記為Al①和Al②;較大的灰色球代辦基片O原子團,標記為O1;紅色小球代辦N原子團,較大的深灰色色小球代辦AlN中的Al原子團。
咱們采納基于密度泛函實踐(densityfunctionaltheory,DFT)總能量贗勢法,由CASTEP(cambridgese2rialtotalenergypackage)硬件包兌現劃算。使用D.Vanderbilt提出的超軟贗(ultrasoftpseudopotentials,USP)來形容離子實與電子對之間的彼此作用(O2s22p4,Al3s23p1,N2s22p5)。對電子交流有關項的劃算取舍了Perdew等提出的狹義梯度相近(generalgradientapproximation,GGA)修改步驟(PW91)內容。經過后面下結論綜合α-Al2O3(0001)名義的劃算,咱們曉得使用密度泛函實踐,絕對于聯合能的劃算來說,在劃算鍵長與多少何構形時,對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,絕對均方差在10-4量級,尤其關于數值積分點數不敏感。為了適當減小能源學的演算量,在采納超軟贗勢劃算時,能夠適當減小截斷能Ecut的取值,咱們取截斷能量Ecut為340eV。在對2×2名義構造的優化中,采納了BFGS算法(BroydenFletcherGoldfarbandShanno,BFGS),布里淵區k2point取的是3×3×2,即18個K-point。對2×1名義AlN的吸附能源學模子,咱們使用了CASTEP硬件包中的能源學程序布里淵區k-point取的是5×2×1,即10個k-point,積分工夫步長設為1.0fs,模仿總工夫為1.5ps,體系熱度恒定于500℃。經過對α-Al2O3(0001)名義構造優化與弛豫劃算,以及對AlN分子鍵長、鍵能試算,后果都無比好地吻合于文獻值,同聲與Gauss98硬件包所劃算的AlN鍵長值(0.170nm)也無比統一,表明咱們劃算后果是牢靠的。
|
