金属栅电极功函数和Fe基材料磁性及其功函数的自旋调制:第一性原理计算

摘要

自上世纪60年代以来,集成电路、微电子技术一直遵循着摩尔定律快速发展,CMOS器件的尺寸始终按照一定的比例不断缩小,传统SiO2尺寸缩小已经到了极限,因此需要High-k材料代替传统siO2。由于多晶硅与High-k栅介质结合会出现诸多问题,如多晶硅栅耗尽效应、过高的栅电阻、费米能级的钉扎、严重的硼穿透等,因此,金属栅电极取代多晶硅是CMOS器件发展的必然选择,也是近年来理论和实验科学家的研究热点。
　　 本文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了吸附效应、自旋极化效应、合金化对金属栅电极功函数的影响。研究结果表明,吸附和自旋极化对金属功函数有重要影响；对于给定的吸附浓度,吸附原子重新分布的模型的功函数值差别较小,表明吸附的重新分布对金属功函数影响较小。我们还研究了Fe(100)磁矩分布和功函数,各层磁矩成对称分布,顺磁功函数与铁磁功函数的值差别较大,同时还研究了Fe表面合金化(掺Cr)和自旋极化对功函数的影响。本文共分四部分:
　　 首先,介绍了课题的研究背景,包括:传统SiO2栅介质尺寸缩小的问题,金属栅电极代替多晶硅的必然性和困难,磁性材料。同时,还详细介绍了本论文所涉及的第一性原理计算方法基本理论基础和VASP软件。
　　 其次,利用第一性原理方法研究了Mo(110)吸附O对功函数的影响,计算结果表明,表面层O吸附对Mo(110)功函数有重要影响,次表面、第三层甚至更远层吸附对功函数影响较小,表面吸附功函数随着O原子覆盖度的增大而增大,对于给定的表面层O原子吸附浓度,O原子不同分布对功函数影响较小,所得结果为实验指明了表面吸附可能是一种调制金属功函数的方法。
　　 接着,研究了Fe(100)磁性和功函数。计算结果发现,各层磁矩呈对称分布,表面磁矩最大,表面磁性增强现象明显,d轨道磁矩对平均磁矩贡献最大,d轨道磁矩与对应层磁矩几乎相等,顺磁功函数与铁磁功函数的值有明显差别,说明自旋极化对功函数有重要影响,自旋调制金属功函数成为可能。
　　 最后,研究了Fe(100)、(110)、(111)表面掺Cr磁性和功函数。计算结果发现表面掺杂和不同的表面掺杂浓度(覆盖度)对功函数有重要影响,不同取向和自旋极化对功函数也有重要影响。