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Ni基材料的磁性与功函数的第一性原理研究

程燕铭  
【摘要】:随着科学技术的迅猛发展,半导体器件的尺寸不断地按比例缩小,并且已经达到了极限,传统的栅介质SiO2已经不能有效地满足MOSFET器件的高集成度要求,因而寻求High-k金属电介质材料来替代传统Si0:是一种必然趋势。然而多晶硅与High-k金属栅的结合会产生许多问题,诸如多晶硅的栅损耗效应、费米能级的钉扎、过高的栅电阻等,因此,金属栅电极用于取代多晶硅电极成为CMOS器件发展的必然选择,也成为近些年理论上和实验上研究的热点。本文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究了Ni.Cu1-x合金材料、NiCr合金材料以及Ni(111)表面吸附C原子的磁性和表面功函数。本文共分四个部分: 首先,介绍了本课题的研究背景,包括传统SiO2栅介质尺寸缩小问题、金属栅电极替代多晶硅的必然性和所面临的难题、自旋调制表面功函数的可行性。另外,还详细介绍了本文所采用的第一性原理计算方法的理论基础。 其次,采用第一性原理计算方法研究了NixCu1-x合金材料的磁性和功函数。计算结果显示,表面取向效应对合金材料的功函数和磁性都有明显的影响;对于给定表面层原子浓度及表面取向确定的情况下,晶胞内Cu原子的掺杂浓度对磁性功函数影响较小。计算中考虑了磁性原子的自旋极化问题,对比不考虑自旋极化的计算结果,表明了表面原子修饰可能是一种调制金属表面功函数的有效方法。 接着,研究了NiCr合金表面功函数的自旋调控对功函数的影响。重点采用了共线和非共线的计算方式,研究磁性原子的不同自旋组态对表面功函数的影响。研究发现,NiCr金属合金的功函数受表面取向和自旋极化的影响强烈;通过自旋方向和磁矩大小的调控使NiCr金属合金的功函数发生变化。计算结果表明自旋极化对功函数有重要的影响,自旋调控材料的表面功函数具有可行性。 最后,利用第一性原理研究了Ni(111)表面吸附C原子对功函数和磁性的影响。计算结果表明,随着C原子吸附覆盖度的增加,吸附能呈线性减小;通过C原子的吸附可以诱导Ni(111)表面功函数和磁性发生变化,即功函数的变化量△Φ随着C原子覆盖度θ的增加而增大,并且对于表面层和次表面层的磁矩表现出明显的减小变化情况。


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