基于第一性原理的钛酸铋铁电性能及HfO2_Si异质结性能的研究

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1、硕士学位论文基于第一性原理的钛酸铋铁电性能及HfO2/Si异质结性能的研究FIRST-PRINCIPLESSTUDYONFERROELECTRICPROPERTIESOFBISMUTHTITANATEANDTHEELECTRICALPROPERTIESHETEROSTRUCTUREOFHfO2/Si刘高任哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TB39学校代号：10213国际图书分类号：538.9密级：公开工学硕士学位论文基于第一性原理的钛酸铋铁电性能及HfO2/Si异质结性能的研究硕士研究生：刘高任导师：朱振业副教授申

2、请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2017年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB39U.D.C:538.9AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringFIRST-PRINCIPLESSTUDYONFERROELECTRICPROPERTIESOFBISMUTHTITANATEANDTHEELECTRICALP

3、ROPERTIESHETEROSTRUCTUREOFHfO2/SiCandidate:LiuGaorenSupervisor:AssociateProf.ZhuZhenyeAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence:December,2017Degree-Conferring-Institution:Harb

4、inInstituteofTechnology摘要摘要铁电/半导体材料复合结构是介电/半导体人工复合结构中的一种，由于这种复合结构会使得界面处的能带、结构等发现变化，从而产生新的物理特性。但是铁电/半导体易在界面处相互扩散形成电荷捕获，为了减小这种现象对器件性能的影响，目前常在铁电薄膜与半导体之间增加一层的绝缘层，也称为缓冲层，形成铁电薄膜/缓冲层/半导体结构。因此，铁电材料和缓冲层成为当今学术界炙手可热的研究对象。本文通过实验与理论相结合的手段，重点研究了退火温度对铁电材料(Bi，Nd)4Ti3O12质量的影响，并基于密度泛

5、函理论，运用第一性原理计算方法，研究了缓冲层HfO2和半导体Si构成的异质结HfO2-Si的基本性质。本文制备了(Bi，Nd)4Ti3O12铁电薄膜，通过XRD、SEM的化学表征和铁电测试仪的电学性能表征，重点研究了退火温度对薄膜质量的影响。并运用第一性原理计算方法对Bi4Ti3O12铁电材料建模分析，获得其能带结构、态密度、分态密度、差分电荷密度分布等重要参数，得出各原子间的成键方式及电荷转移方式。指出了不论是A位掺杂取代还是B位掺杂取代，都将改善类钙钛矿层Ti-3d电子和O-2p电子的杂化作用，进而改善铁电性能。针对HfO

6、2、Si的体结构和表面结构，从分态密度、表面原子弛豫等角度分析HfO2体结构的成键方式。发现O3电子态与O4电子态都主要分布在-18eV到-15eV、-5eV到0eV和2.5eV到7eV之间，O原子的2p电子与Hf原子的6s电子发生轨道杂化，形成较强的共价键。二氧化铪表面的分态密度整体向低能量区偏移，但是价带顶向高能量区移动，导致二氧化铪表面电子非常容易被激发，其表面稳定性下降。建立了二氧化铪/硅异质结模型，发现当异质结的界面距离d=1.55Å时，异质结界面结构充分弛豫后的总能最小，此时的异质结结构最为稳定。分析异质结各原子成

7、键情况发现，界面处Si原子也会失去电子，这些电子将转移到界面处的O原子中，故界面处的Si、O间形成共价键作用。最后通过计算得到异质结的带偏为3.37eV。关键词：HfO2/Si异质结；第一性原理；电子特性-I-AbstractAbstractThecompositestructureofferroelectric/semiconductormaterialsisoneofthedielectric/semiconductorcompositestructures.Becauseofthecompositestructure,t

8、heenergybandandthestructureoftheinterfacewillbechanged,thusnewphysicalpropertieswillappear.Butthemutualdiffusionoftheatomswillcausethechar