PDF《！＂ 薄膜中的量子尺寸效应与吸附氢的 第一性原理计算 ！》

!" (###$) 薄膜中的量子尺寸效应与吸附氢的 第一性原理计算! 宋红州 张平! 赵宪庚 (北京应用物理与计算数学研究所, 北京 "###$$) (%##& 年'月%& 日收到;

%##& 年(月"( 日收到修改稿) 通过基于密度泛函理论的第一性原理方法对铍自由表面的电子结构及表面原子氢的吸附能作了详细计算, 给出)* (###") 薄膜的电子结构、 表面能、 电子功函数、 层间弛豫等物理量随厚度变化关系, 同时讨论了原子氢在 )* (###")表面的吸附性质, 给出了吸附能及局域电子态密度随铍薄膜层厚的变化关系, 体现了铍薄膜的量子尺寸效应+ 关键词:表面能,功函数,量子尺度效应 !国家自然科学基金 (批准号: 资助的课题+ ! 通讯联系人+ 012345: 67389: ;

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=2+ 3=+ =8 "> 引言当薄膜材料厚度接近纳米尺度时, 由于量子限 制效应, 体材料的能带会劈裂为一系列子带 ["―/] + 当这些子带顺次穿过费米能级时, 系统的性质表现 为一系列量子振荡效应 (?@0) , 包括表面能、 电子功 函数、 薄膜的层间弛豫等, 具体表现为当薄膜厚度增 加一个原子单层厚度时会导致上述物理量 "A! 量 级的变化, 这里 ! 是薄膜中的原子层数+ 这种由于 量子阱态产生的各种物理量的量子振荡行为其实很 早就在金属衬底上生长的超薄金属薄膜系统中观察 到[(] + 最近关于 ?@0 的实验及理论研究集中在 BC 薄膜沉积在 @4 (""") [&―%"] 或DE (""") [%%] 基底上+ 目前基于密度泛函理论的第一性原理方法在材 料结构性质、 表面、 薄膜的电子结构性质研究中愈来 愈受到重视, 这方面也做了很多工作 [%'1%,] + 本文通 过第一性原理方法对 )* 自由表面的电子结构及表 面原子氢的吸附能作了详细计算, 其他简单金属比 如-5 [%'―'#] , .

9 [%$] , F4 ['"] , G7 [%$] 及BC ['%, ''] 的?@0 [%H―'"] 研究可见以前的文献+ 尽管同为简单金属, 铍的电 子结构与周期表中相邻的其他元素相比有显著不 同, 尤其是其体材料的电子结构与表面电子结构截 然不同, 主要表现为, 铍的体材料电子态密度 (IJ@) 最小值恰好落在费米能级 "K 处, 这使得铍的体性 质有类半导体行为 ['/, '(] , 而对 )* (###") 和)* ("#"#) 表面而言, 费米能级处的电子态密度 (IJ@) 与体材 料相比增强了 /―( 个量级, 表现出典型的自由电子 金属行为 ['&] + 另外铍成键能很强 (结合能: )* 为'>'% *LA3MN2, .9 为">(" *LA3MN2, F4 为">&' *LA 3MN2 [',] ) , 德拜温度也很高 ()* 为"//# O, .9 为/## O, F4 为'// O ['$] ) , 因此铍在低温下有显著的量子行 为['H] , 也是本工作的出发点+ 本文概括介绍本工作的第一性原理计算方案;

给出结果并讨论 )* (###") 薄膜的电子结构、 表面 能、 功函数、 层间弛豫等物理量随厚度变化关系, 同 时讨论了原子氢在 )* (###")表面的吸附性质, 给出 了吸附能及局域电子态密度随铍薄膜层厚的变化 关系+ %+计算方法 我们在计算中采用了基于密度泛函理论平面波 赝势 [/#] 方法的 L-@B [/"] 程序, 对于自由 )* (###") 薄 膜系统采用周期厚平板 (P53C) 超原胞结构, 为了防止 平板的上下表面由于周期性边界条件带来的人为相 互作用从而使计算失真, 采用通常做法, 将薄膜放置 在平板中央, 而平板内部两侧用真空对称加装, 真空 第(& 卷第"期%##, 年"月"###1'%H#A%##,A(& (#") A#/&(1#H 物理学报-DQ- BRS@TD- @TUTD- LN5+(&, UN+", V38E3WX, %##, ! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " %##, D748+B7XP+ @N=+ 总厚度取为 !" #$ 计算中, 表面采用 % & % 超原胞;