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《电子科技大学》 2008年 博士论文
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镍与磷化镓表面吸附特性的第一性原理研究

李登峰  
【摘要】: 吸附是固体表面最重要的特征之一,在固态晶体表面上,原子或分子的力场是不饱和的,固体表面的分子或原子具有剩余的力场,清洁的固体表面处于不稳定的高能状态,极易产生表面吸附。吸附影响着固体表面的稳定结构和电学性质以及器件性能,因此,固体表面的吸附行为受到了很大关注。 本文采用基于密度泛函理论的从头算法,利用VASP程序,研究了非磁性原子锡和铅与磁性原子锰在镍表面的吸附行为,以及磷化镓半导体表面重构与表面钝化机理。 1.研究了非磁性原子Sn吸附在Ni(100)、Ni(110)和Ni(111)表面的结构属性和最稳定相在吸附前后的态密度分布。通过吸附能的计算,发现Sn吸附在镍的三个表面的最稳定结构都是形成表面合金相的替代吸附,Ni(111)(3~(1/2)×3~(1/2))R30°-Sn合金相并不存在表面层错现象。计算所得Sn吸附在Ni(100)、Ni(110)和Ni(111)表面的皱褶幅度分别为0.47(?)、0.49(?)和0.55(?),与实验结果吻合很好。由于价电子电荷密度降低和表面应力减少,皱褶幅度均远小于硬球模型的期望值。另外,研究了较大非磁性原子Pb在Ni(111)(3~(1/2)×3~(1/2))R30°表面的吸附行为,发现与Sn在该表面的吸附行为类似。2.研究了Mn吸附在Ni(110)c(2×2)表面时磁性对结构和电学性质的影响,考虑了顺磁、铁磁以及反铁磁耦合情况。计算表明,在考虑的所有结构中铁磁耦合表面替代吸附结构最稳定,而如只考虑顺磁耦合时第二层替代合金最稳定。因此,Mn原子的磁性增加了表面的磁性能,从而稳定了该合金表面。Mn-Ni(110)c(2×2)表面合金皱褶幅度为0.26(?)以及第三层的皱褶幅度为0.038(?),与实验结果吻合很好。态密度分析表明Mn原子存在大的磁场分裂,比Mn-Ni(100)c(2×2)表面合金(3.41eV)略大,Mn-3d和Ni-3d之间存在强的杂化现象。Ni(110)c(2×2)表面由于Mn的吸附引起功函变化-0.59eV,意味着电荷从吸附物转移到底物。验证了大的皱褶幅度和功函变化与Mn原子大的磁矩(3.81μ_B)相关。另外,分析了Mn吸附在Ni(111)p(2×2)表面结构和电学性质,最稳定结构是反铁磁耦合时的第二层替代合金,Mn原子的磁矩为3.15μ_B和-3.03μ_B,电学性质分析表明Mn原子的局域性弱于Mn-Ni(110)c(2×2)表面合金,这是由于Mn原子磁矩较小所较。最后,我们把Mn/Ni磁性表面合金与Mn/Cu磁性合金磁性合金进行了比较分析,认为磁性表面合金大的皱褶幅度由几何效应、磁体效应以及空位形成能共同决定。 3.详细研究了GaP(001)表面重构现象,模拟了GaP(001)表面在退火实验中的相变过程,得到了GaP(001)(1×2)、(2×2)和(2×4)清洁表面的结构、能量和电学性质。结构参数与原有的实验和理论结果吻合很好。通过相变图清楚地得到在不同条件下的稳定相,发现在(1×2)到(2×4)相变过程中存在的混合态可能是β_2(2×4),δ(2×4)和Ga(1×2)md结构的共存态。 4.详细研究了0.5ML和1ML硫吸附在磷截止与镓截止的GaP(001)(1×2)表面的结构和电学属性。吸附能计算结果表明,0.5ML硫吸附时最稳定结构是硫吸附在镓截止表面的桥位置;1ML硫吸附在GaP(001)(1×2)表面时最稳定结构是吸附在镓截止表面的桥和空穴位置,所有二聚物被断开,形成(1×1)的重构单元。S-Ga键强于S-P键。对0.5ML和1ML硫吸附后的最稳定结构进行了相变分析,发现当-1.34eV<Δμ(S)<0时(1×1)结构更稳定,当Δμ(S)为-1.34eV时,(1×2)结构转变为(1×1)结构,与实验结果一致。能带和态密度分析表明硫吸附在GaP(001)表面可以大幅度降低费米能级处的表面态。1ML硫吸附在镓截止的GaP(001)(1×1)表面时在Γ处的能隙为1.61eV,禁带中的表面态几乎消失,而吸附在磷截止表面时由于存在S-P反键态,禁带中的表面态没有减少,还存在一个新峰;另外,硫吸附在镓截止表面时表面悬挂键趋于饱和,有效地防止外界环境对表面的污染。因此,硫吸附在镓截止GaP(001)表面时到了钝化的目的。 5.讨论了0.5ML和1ML的铟吸附在GaP(001)(1×2)表面时的结构和电学属性。吸附能计算表明,0.5ML铟吸附时最稳定位置是HH,其次是HB位置。1ML铟吸附时,铟吸附在HH-T3或HH-T4位置,吸附能只差30meV。电学性质分析表明0.5ML和1ML铟吸附具有相似的吸附行为,费米能级附近的表面态减少,对表面有钝化作用。铟吸附在GaP(001)(1×2)表面引起功函降低,电荷从吸附物转移到底物。


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