LaNiO3和LaAlO3极性表面和界面的第一性原理研究

作     者：左金改 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关丽

授予年度：2013年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：LaNiO3 LaAlO3 第一性原理 电子结构 表面能 

摘      要：LaNiO和LaAlO是重要的钙钛矿结构氧化物，它们的表面原子结构对表面和异质界面电子性质产生了重要影响。界面极性不连续与界面结构、原子堆垛顺序和内在静电势场有关。极性表面易发生非极性，原子结构的变化可根本改变界面极性状态，对二维电子气的产生与否起到关键的作用。因此，本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法讨论了LaNiO和LaAlO极性表面和界面的原子和电子结构以及结构稳定性，主要结果如下： (1)研究LaNiO(001),(011)和(111)等晶面的原子结构和表面能。计算了LaNiO(001)LaO截断面的结构，发现最外层的O原子向晶体外弛豫，La原子向晶体内弛豫。然而，NiO截断面O原子想晶体内弛豫，Ni原子向晶体外弛豫。LaO截断面出现了较大的表面褶皱，几乎是NiO截断面的二倍。在所有表面结构中，LaNiO(001)LaO截断面的表面能最低，结构最稳定。构建非极性LaNiO(001)表面，结果显示非极性后非极性的LaO截断面有更低的表面能，而非极性的NiO截断面有相反的趋势。对比所有表面，发现Ni原子丰富的表面，即NiO、LaNiO和Ni截断面比LaNiO(001),(011)和(111)晶面其它截断面的表面能高一些，且Ni3d电子在费米面处贡献了更高的态密度。 (2)研究LaO/TiO、SrO/NiO、LaO/SrO、NiO/TiO不同SrTiO/LaNiO异质界面超晶格结构。经过结构弛豫后，TiO/LaO和SrO/NiO的原子的弛豫程度比SrO/LaO和TiO/NiO超晶格小很多。由电荷得失情况可以看出：①LNO一侧得失电子数比STO一侧多;②不同界面的超晶格弛豫程度越明显，电荷转移数量越多。界面的稳定性分析显示，TiO/LaO界面分离功的数值最大，因此可推测TiO/LaO的界面最稳定。而TiO/NiO的界面的分离功最小，说明TiO/NiO的界面最不稳定。从各层态密度分析发现，界面处与远离界面的态密度有明显的不同。TiO/LaO和SrO/LaO结构的界面界面处没有形成明显的界面二维电子气， SrO/NiO的界面表现为导电性。TiO/NiO结构该界面二维电子气浓度高，在四种界面中导电性最明显。界面处，和在LaO层去除25%的O原子相比，去除50%的O原子后，紧邻界面NiO层的Ni3d电子在费米面处反而降低了。但是和无O空位相比，25%O和50%的O空位，导致紧邻界面NiO层的Ni3d电子在费米面处贡献了更高的态密度，且Ti3d、Ni3d和Op的电子均向高能级方向移动。 (3)研究LaAlO(001),(011)和(111)等晶面的原子结构和表面能。LaAlO(001)LaO截断面的表面褶皱几乎是AlO截断面表面的2倍，LaAlO不同晶面最顶层的原子均向晶体内弛豫。根据表面能数据分析，极性的LaAlO(001)AlO截断面的表面能低于LaO截断面，即AlO截断面相对于LaO截断面更加稳定。LaAlO(001)AlO和LaAlO(111)LaO的稳定性很接近，最不稳定的表面为LaAlO(011)LaAlO截断面。构建台阶式非极性的表面并计算晶面表面能，结果表明除了Al截断面的表面能相对高些，其它几个截断面的表面能很接近。本文结果对认识极性薄膜的表面结构和外延生长过程具有一定的参考价值。