硅表面氧吸附、扩散及硅氧团簇形成的理论研究

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二氧化硅可作为钝化层来保护硅的表面，也适用于器件相互之间的隔离，还可在器件内部形成电容器，并且SiO2/Si界面非常稳定，具有可控的电学性能。但在一些硅基器件中，硅片表面被氧化形成的SiO2影响了硅基器件的物理性能，因而，有关硅表面氧化结构的组织形貌、微观结构、形成机制、化学成分以及物理性质等情况的研究引起了人们的极大兴趣。近年来，硅表面氧化的研究工作主要集中于制备、形貌结构、氧化动力学和应用研究展望等方面，但精确的硅表面氧化结构、氧在硅表面的吸附扩散过程等仍不清楚。硅表面氧化体系的表面结构和性质十分复杂，并与各种外界因素相关，通过实验方法无法获得更精确的表面微观结构，给实验研究带来了一定的困难。通过计算机模拟可以对一些实验无法直接观测的量进行计算，补充实验研究的不足。因此，采用理论计算深入研究硅表面的氧化结构和性质是一种十分重要的研究方法。本论文主要是运用密度泛函理论对氧在硅表面的吸附扩散过程以及硅表面硅氧团簇的原子和电子结构进行了初步研究。研究工作的主要内容和结论如下：首先，研究了氧分子在Si(001)表面的吸附过程的运动轨迹与系统能量、表面原子结构以及扩散系数。计算结果表明，氧分子在表面的吸附过程由物理吸附、化学吸附初期、化学吸附后期和表面稳定态四个阶段组成，稳定的表面吸附结构中有Si=O双键结构，Si—O—Si表面桥位结构以及在硅表面顶层与第二层Si原子相连的背键处插入的氧原子形成的Si—O—Si桥位结构，这些结构形式有利于形成类似SiO2的四面体结构。氧分子在硅表面的位置和方位存在的差异导致了不同的扩散路径，形成的两种不同的表面吸附结构是硅表面氧化初期过程中并存的结构。其次，在周期性边界条件下的k空间中，采用基于密度泛函理论的第一性原理广义梯度近似方法(GGA)，对建立的四种可能的Si(001)表面硅氧团簇的结构模型进行了优化计算。结果表明优化后的表面结构呈无定形状，并且优化后的B、C、D三种模型的表面结构具有类似二氧化硅的四面体结构的几何特征。此外，通过电子局域函数图以及密里根布居分析发现硅氧团簇中的Si—O键既有明显的离子键成分，也有一定的共价键成分。最后，利用DFT理论计算了优化后得到的Si(001)表面硅氧团簇的能带结构以及电子态密度，同时对Si(001)2×2表面清洁结构进行了弛豫并计算了相应的能带结构及电子态密度。结果表明， Si(001)清洁表面和硅氧团簇表面的表面态带主要由靠近费米能级价带顶和导带底附近的表面态带组成，并且相比Si(001)清洁表面的表面态峰，硅氧团簇表面的表面态峰大大降低，表面活性显著降低。

著录项

作者
杨冲;
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作者单位

四川师范大学;

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授予单位四川师范大学;
学科凝聚态物理
授予学位硕士
导师姓名杨春;
年度 2009
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 O491;
关键词
二氧化硅; 硅氧团簇; 密度泛函理论; 表面吸附结构;

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