多功能氧化物在硅衬底上集成的研究

The miniaturization of conventional electronic devices has become increasingly difficult and is approaching the limits of silicon-based technology. One way to go beyond the conventional electronics is to use another intrinsic nature of electrons, spin. An intriguing route to transferring electronics to spintronics is to integrate multifunctional oxides on Si substrate. The most important key for achieving this aim is to realize high-quality oxide/silicon interface. However, since O can easily turn silicon into silicon dioxide even at the slightest contact, this seems to be a nearly insurmountable obstacle. .Based on first principles calculations, we plan to find a way to overcome this issue: We will explore the dependence of the O-Si intercatoin channels on the sites of O incoming on the Si surface during the oxide growth on the Si substrate, which was conventionally believed to be easily oxidized, and find how the O-Si interaction channels can be really blocked. Based on these results, we will suggest how to realize the high-quality interface between oxides and silicon. .If the project could be carried out, we believe that the obtained results will pave the way to integrate oxides on Si substrate for high-quality oxide/Si interface, and as such, our work will lay the foundation for emerging technology for spintronics.

传统电子学器件的微型化越来越困难，已快接近Si基技术极限，出路之一是利用电子另一内禀特性，自旋。从传统电子学转向自旋电子学，诱人的方案是将功能氧化物集成到Si衬底上。达到这一目标最关键的是实现高质量的氧化物/硅界面。然而，由于氧与Si只需哪怕最少的接触既可生成SiO2，这看起来几乎是一个不可逾越的障碍。.基于第一性原理计算，我们将寻找突破这一瓶颈的方法：我们将在通常认为很容易被氧化的Si表面，揭示当氧化物生长在Si衬底上时，O-Si作用通道与O到达Si表面时初始位置之间的关系，从中寻找阻塞O-Si作用通道的方法，并将据此提出如何实现高质量的氧化物/Si界面的建议。.如能完成本项目，我们相信，所得结果将为把氧化物高质量地生长在Si衬底上铺平道路，为把Si基技术拓展到自旋电子学器件夯实基础。

我们完成了如下的工作。1、首次提出，与Si很容易被氧化的传统观念不同，Si表面的氧化通道实际上很少，原因是Si表面的悬挂键电子将封闭大多数氧化通道；2、Sr/Si(001)表面将极大地改变其表面形貌以响应O在其表面的吸附，导致Sr/Si(001)表面释放远远超过饱和O所需要的电子。我们命名这种尚未报道过的机制为“电子过度响应机制”。就是这种机制导致吸附O的氧化能力急剧降低；3、我们预言，SrMnO3半金属膜可以作为Si(001)上氧化物生长的很好的缓冲层；4、我们提出，LaAlO3/LaNiO3界面异于其他RNO(R=La系金属）界面不能产生金属-绝缘体相变的原因，不是由于量子约束效应，而是由于化学失配效应。5、我们提出一种新的方式——人为地制造界面极化灾难——使两种绝缘过渡金属氧化物之间的界面产生多铁效应；6、在Au/g-C14N3中发现一种尚未报道过的我们命名为“反常能带倒置（anomalous band inversion）”的现象。这是由这种材料的C3v对称性保护的。7、我们的计算表明，Bi, Au, Sb, Ir, Rh在g-C14N3上都形成拓扑绝缘体，由此给出了相互作用参数与拓扑绝缘体能带倒置关系的相图。