钙钛矿铁电体-半导体硅异质结的理论研究

Interface structures and electronic properties of pervoskite ferroelectric-Si heterojunctions, such as SrTiO3/Si, BaTiO3/Si, have been studied by first-principles calculations. The interfacial phase diagram of pervoskite ferroelectrics-Si heterojunctions has been discussed using thermodynamics theory and the thermodynamically stable interface structures are determined. The effects of interfacial atom components and interface configurations on the polarization properties of ferroelectric films are clarified. A general rule has been proposed to prepare the pervoskite ferroelectrics-Si heterjunctions which still preserve the ferroelectric functionality. Moreover, the control properties of carrier concentration near interface determined by interfacial polarization have been investigated to provide theoretical references for its applications.

本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对钙钛矿铁电体-Si异质结，如SrTiO3/Si、BaTiO3/Si等的界面结构和电子特性展开研究。结合热力学理论讨论异质结的界面相图，给出热力学稳定的界面结构。阐明界面的原子组份、构型对铁电膜极化性质的影响，从理论计算的角度给出制备能保持铁电功能性的钙钛矿铁电体-Si异质结应遵循的一般规律。同时，利用电荷控制模型，阐明界面极化强度对界面附近载流子浓度的调控特性，为钙钛矿铁电体-Si异质结的实际应用提供理论参考。

把铁电体和传统的半导体Si结合起来形成新型功能电子器件一直是研究热点之一。本项目主要采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对钙钛矿铁电体-Si异质结SrTiO3/Si、BaTiO3/Si的界面结构和电子特性展开了研究。通过对各种可能的异质结界面构型进行研究发现，界面结构对异质结的电极化性质有重要的影响。界面处缓冲层的Sr、Ba原子与界面处的O原子形成的强离子键会在界面处形成一电偶极子。该电偶极子会主导异质结的电极化性质，导致异质结中的铁电层失去铁电性。因此，在界面处加入Sr、Ba单原子作为缓冲层虽然有利于后续氧化物的外延生长，但会导致异质结失去铁电性。同时，我们的研究发现在Si表面上直接外延生长以SrO或BaO为界面层的异质结是能够保持铁电功能性的。在这种界面构型中，界面处的Si和O会形成一较强的共价键，而不是离子键。这样在界面处就不会有强的电偶极子产生,使铁电层能够保持铁电性。此外，我们对这些保持铁电功能性的异质结的势垒、极化强度等做了进一步分析，结果表明钙钛矿铁电体-Si异质结在新型功能电子器件方面具有较好的应用前景。另外，结合当前的研究热点，对二维石墨烯材料的所构成的量子器件的电输运特性展开了研究。