磁性镍基合金/高介电栅界面微结构和自旋组态对功函数的调制

以近年来十分关注的金属/高介电（K）栅作为研究对象，基于第一性原理和Monte Carlo模拟方法，计算镍基（Ni、NiFe、NiMn、NiCr、NiV、NiSi、NiHf、NiPt、NiO（O吸附））磁性金属合金栅的功函数；开展具有不同磁状态（自旋组态）镍基磁性合金体系设计及其对功函数的调制研究；揭示镍基合金/高K栅界面微结构和自旋组态对有效功函数及界面静电势的影响机制。从计算中获取界面处不同原子成键结构、自旋组态、电子结构、势垒高度、静电势分布和功函数, 综合分析各影响因素之间的相关性，阐明界面电偶矩和自旋组态的形成原因及其对有效功函数调制作用，为新型CMOS器件的设计和应用提供理论基础。该研究突出磁性合金化、自旋组态和界面微结构对功函数的调制，在电荷（界面电偶矩）调制的维度上，首次提出自旋调制的新维度，在理论和方法上都是一个创新，它必将对实际应用起重要的指导作用。

（1）探索了不同磁性组态和表面取向对Cr/Ni(111), Cr/Ni(100) 和 Cr/Ni(110)三个表面体系的功函数的影响。计算结果表明，表面取向和表面层Cr原子的磁性组态对体系的功函数都有重要影响。Cr/Ni(111)体系的自旋组态调制导致的功函数变化高达0.63eV；Cr/Ni(100)体系变化量达到0.51eV。研究结果建议可通过改变磁性金属合金栅的磁性组态来实现对功函数的调制。..（2）计算Ni/HfO2界面在单轴和三轴应变模式下的有效功函数。结果表明，有效功函数的大小强烈依赖于界面的类型；O-Ni界面的有效功函数比Hf-Ni界面大2eV；同时通过界面掺杂和缺陷态的控制使得界面可以实现从离子型向金属型转变，从而达到2eV的有效功函数的调制。三轴应变模式下在应变量小于5%范围内有效功函数的应力调制可达到1eV。研究结果揭示控制应变和界面结构是调制Ni/HfO2界面功函数的有效方法。..（3） 通过第一性原理研究了Ni及NixCu1-x、NixPt1-x、NixCr1-x合金的磁性和功函数。计算结果表明，表面取向、自旋极化和原子掺杂对合金材料的功函数和磁性都有明显的影响。同时还计算了不同覆盖度下C吸附Ni（111）表面的功函数和磁性，发现C的吸附能诱导Ni（111）表面功函数和磁性的变化。..(4) 研究了C原子吸附的Cr/Fe(001)表面体系的功函数及磁性。结果表明，磁性组态对体系的功函数有重要的影响，磁性组态为反铁磁态时的功函数都比铁磁态下的功函数约小0.2-0.34eV。对C原子覆盖度θ≤0.5单层，体系的功函数随着覆盖度θ的增加而增加。体系的功函数及磁性的变化主要归因于磁性组态变化、电子转移及表面结构变化。..（5）研究了自旋极化、自旋取向以及表面合金化对Fe (001)、Fe1-xMnx/Fe (001)和Fe1-xGdx/Fe (001)的磁性和功函数的影响。计算结果表明自旋取向和表面合金化对它们的功函数和原子磁矩有很大影响，发现体系功函数及磁性的变化主要决定于费米面、电子的转移及表面结构的变化。..（6）同时利用第一性原理计算研究Co、Ti和Cr掺杂ZnO稀磁半导体磁性质的影响，并研究了V、Cr、Mn和Fe 掺杂Bi2Se3, Bi2Te3和Sb2Te3拓扑绝缘体的稳定性、电性和磁性。.