钛酸钡薄膜生长初期粒子形态及其反应机理的模拟研究

在激光分子束外延生长钛酸钡(BaTiO3,BTO)薄膜过程中,初期多粒子碰撞反应过程是薄膜形成的关键过程。本文采用密度泛函理论中的广义梯度近似(DFT/GGA),在PW91/DNP水平上研究了Ba、Ti、O、O2、BaO、TiO2以及BTO分子在真空中的优先反应形成与演化过程,计算研究了它们碰撞反应及其中间体的形成机理,获得了相应中间体的几何结构、过渡态及反应活化能,并运用前线轨道理论分析了BTO分子形成机理。对比BTO、SrTiO3(STO)原胞的计算,详细分析了BTO铁电薄膜钙钛矿结构形成的因素,结果表明,BaO、TiO2和BTO分子是激光分子束外延(LMBE)生长BTO薄膜初期的主要粒子形态,生长初期将以TiO2为中心,结合BaO成核生长,并经由类似于BTO单原胞中的钛酸钡分子结构形成大量的具有钙钛矿结构雏形的原胞。