AlN在α-Al2O3(0001)名義吸附內(nèi)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(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,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(dǎo)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(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)等真空技能成長的AlN地膜品質(zhì)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(dǎo),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(nèi)涵成長合議制備地膜的成長內(nèi)中中,率先基片的名義構(gòu)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?jīng)Q議性作用。再有,沉積粒子在基片名義吸附、放散、聯(lián)合,對成核和成長年初階段的性質(zhì)有無比不足道的莫須有,并間接莫須有著將要構(gòu)成的整個地膜的品質(zhì)。因為名義試驗綜合技能對表層原子團構(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(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(dǎo)AlN依然能夠在藍寶石基底上成長,這是因為經(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(nèi)中的宏觀靜態(tài)信息,如基底名義物理、化學(xué)吸附成長的內(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(diào)度如次:第1節(jié)簡要說明了物理模子與劃算步驟,第2節(jié)重點闡述并探討了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、吸附地位及鍵競爭用關(guān)系到AlN粒子簇小島進一步的構(gòu)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(nèi)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(tài)對國產(chǎn)粒子的吸附間接有關(guān),為此,咱們率先有多余失去一個已弛豫的α-Al2O3(0001)名義,綜合其名義原子團與電子構(gòu)造,進一步結(jié)構(gòu)AlN的吸附模子。
對AlN的吸附模子,基片采納文獻報導(dǎo)已優(yōu)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(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)基片名義原子團構(gòu)造為氧6重對稱構(gòu)造,為了考查名義重要吸附地位,設(shè)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(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(xiàn)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(guān)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(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踐,絕對于聯(lián)合能的劃算來說,在劃算鍵長與多少何構(gòu)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(guān)于數(shù)值積分點數(shù)不敏感。為了適當(dāng)減小能源學(xué)的演算量,在采納超軟贗勢劃算時,能夠適當(dāng)減小截斷能Ecut的取值,咱們?nèi)〗財嗄芰縀cut為340eV。在對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K-point。對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k-point,積分工夫步長設(shè)為1.0fs,模仿總工夫為1.5ps,體系熱度恒定于500℃。經(jīng)過對α-Al2O3(0001)名義構(gòu)造優(yōu)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(tǒng)一,表明咱們劃算后果是牢靠的。
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