mosi2薄膜电子性质的第一性原理研究

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1、MoSi2薄膜电子性质的第一性原理研究*彭琼何朝宇李金†钟建新‡（湘潭大学物理与光电工程学院，微纳能源材料与器件湖南省重点实验室，湘潭411105）摘要采用第一性原理计算方法，研究了四方MoSi2薄膜的电子性质。计算结果表明，各种厚度的薄膜都是金属性的，并且随着厚度的增加，其态密度与能带结构都逐渐趋近于其块体的特性。通过对MoSi2薄膜磁性的分析，发现三个原子层厚的薄膜具有磁性，其原胞净磁矩为0.33μB；而当薄膜的厚度大于三个原子层时，薄膜不具有磁性。此外，进一步对单侧加氢饱和以及双侧加氢饱和结构下三原子层厚MoSi2薄膜的电子性质进行了研究，发现单侧加氢饱和

2、的三原子层MoSi2薄膜具有磁性，其原胞净磁矩为0.26μB，而双侧加氢饱和三原子层MoSi2薄膜是非磁性的。双侧未饱和与单侧加氢饱和的三原子层厚MoSi2薄膜的自旋极化率分别为30%和33%。这些研究结果表明，三原子层厚的MoSi2超薄薄膜在悬空或者生长于基底之上时具有金属磁性，预示着它在纳米电子学和自旋电子学器件等方面都有潜在的应用前景。关键词：硅化钼；电子性质；薄膜材料；第一性原理计算PACS：81.05.Je,79.90.+f,73.61.-r,63.20.dk(71.15.Mb)基金:国家重点基础研究发展计划（批准号：2012CB921303）、国家自

3、然科学基金(批准号：4040204)、国家自然科学基金理论物理专项基金(批准号：11347206)、国家自然科学基金青年基金(批准号：11404275)资助的课题。†通讯作者.E-mail:lijin@xtu.edu.cn电话：15573237949‡通讯作者.E-mail:jxzhong@xtu.edu.cn电话：0731-582924681引言XX过渡金属硅化物化学性质稳定，耐腐蚀，而且和传统的硅技术能很好地兼容，是一类具有广阔应用前景的材料[1]。MoSi2熔点很高（2030℃），密度较低（6.24g/cm3），高温稳定性好，电阻率低，导电导热性能好，可进

4、行放电加工，而且资源丰富，既无环境污染，又可再生制备[2]。目前，二硅化钼由于良好的抗氧化性和力学性能，作为发热元件和高温结构、涂层材料应用于航空航天，能源和军事等其他领域[3,4]。由于它硬度大，可以作为耐磨损材料，此外它也被用作润滑剂，电池的正极和催化剂，作为其它结构陶瓷的增强剂和连接材料等。虽然二硅化钼已有较为广泛的应用，但在该材料真正发挥其潜能之前，有几个基本问题必须解决。首先，虽然MoSi2在1000℃-1700℃具有优异的抗氧化性能，但在300℃-600℃之间，会出现完全破坏性氧化，俗称“Pesting”[5]。第二，尽管MoSi2在高温条件下有优异

5、的延展性，但是它在室温下非常脆弱。为了克服单相MoSi2的高温强度、抗蠕变性、低温断裂韧性和低温抗氧化性能的不足等缺点，并且让其脆韧转变温度明显低于室温，目前通常采用两种途径，其一，通过第二相或者多相综合复合、合金化等方法[6-10]，改进其性能之后，再将其应用在高温结构材料、电热元件等方面[11-14]。其二，将MoSi2制成薄膜，作为高温抗氧化、抗腐蚀涂层材料[15,16]，或者应用于微电子领域[17-23]。由于科技的飞速发展对器件的微型化、高集成度要求越来越高，一般集成电路在制造过程中要进行1000℃以上的高温处理，在电阻比多晶硅小的硅化物中，MoSi2

6、就能经受如此高的温度。因此，它是制作集成电路栅极的理想材料之一，所以对MoSi2薄膜的研究具有深远意义。实验上已经采用外延方法[24]、脉冲激光沉积法[25]、气相沉积法[26]、离子束合成[27]等多种方法成功制备了在基底上生长和悬空的MoSi2薄膜。而且，已有的研究工作表明，MoSi2能够以薄膜的形式应用在大规模集成电路中作为肖特基势垒，欧姆连接，低电阻栅极、原件连接薄膜和扩散防护层等等[28]XX。目前有关MoSi2薄膜的研究，主要集中在实验上对MoSi2薄膜制备和结构表征等方面，缺乏对其微观结构和电性质机理方面研究和认识。而且，由于薄膜特别是原子层厚度的

7、薄膜，其尺寸效应和量子效应[29]通常非常显著，对材料性能的影响显著，但目前缺乏对这些基本的物理性质的研究和了解。本文采用第一性原理方法系统研究稳定相C11b四方块体结构MoSi2薄膜的原子结构性质、电子性质、薄膜厚度对其物理性质的影响。我们首先验证了块体MoSi2的金属性[30]，并且验证了它没有磁性。在块体MoSi2基础之上，我们沿四方MoSi2块体结构的（001）面进行切割，得到了不同厚度的薄膜，并且研究了它们的电子性质，研究发现一个有趣的现象：三个原子层厚的薄膜，表现出磁性，而大于三个原子层厚的薄膜都不显磁性；我们进而研究了上下表面未饱和、单侧加氢饱和，

8、以及双侧加氢饱和三原子层