二元氧化物外延生长的基本物理问题和模拟方法研究

二元氧化物外延生长涉及金属和氧两类原子，并具有表面极性和晶体结构对称性低等特点，不能直接套用单原子体系的理论模型。因此，我们拟建立二元氧化物外延生长相场数学模型，结合表面上金属－氧基本构型的第一性原理计算，引入相关的表面性质和原子表面运动过程，考虑表面极性、反相结构、强烈各向异性生长等特点，实现大尺度模拟，研究二元氧化物多层外延生长中原子岛及其阵列的生长和稳定性规律，解释该领域热点问题，为二元氧化物材料和器件的可控生长提供理论依据。该方法以一个类似Ginzburg-Landau的自由能泛函决定外延生长系统的空间分布与时间演化，通过数值解得到大尺度形貌和外延生长动力学标度规律；自申请人提出后，已解决了金属和硅的若干典型外延生长问题（PRB/E和APL,5篇），并通过对ZnO简单外延生长体系的探索，验证了其可扩展性（PRB,1篇）。二元氧化物外延生长相场模型的建立将为该领域提供一个新的模拟方法

主要是研究外延生长相场数学模型，结合第一性原理计算，引入相关的表面性质和原子表面运动过程，考虑表面极性应力、反相结构、强烈各向异性生长等特点，实现大尺度模拟，研究外延生长中原子岛、台阶及其阵列的生长和稳定性规律，解释该领域热点问题。具体地，建立了应力相场模型，考虑氧化物薄膜生长的主要物理因素，包括应力，表面原子扩散速率，台阶能热力学界面能的各项异性，应力各向异性以及热力学因素与动力学因素的竞争，再现了外延生长的两类重要机制—原子扩散的Ehrlich-Schwoebel势垒和弹性应力相互作用的竞争，原子扩散的Ehrlich-Schwoebel势垒导致的step meandering失稳与弹性应力相互作用导致的step bunching失稳耦合起来，形成一种混合结构。我们提出一个预埋位错应力空间调制方案，成功地得到了一个长程有序的、同步step meandering台阶生长和step bunching台阶生长周期调制的规则表面结构。这个结构可以为量子点、量子线的自组织生长提供一个周期可调、横向和纵向均可调节的模板。利用原子尺度的相场晶粒模型研究了邻基板薄膜异质生长形态不稳定，构建了不同基材和薄膜之间的邻晶角和晶格失配导致的应变薄膜表面形貌失稳的相图。模拟了面心立方结构和体心立方结构的界面生长过程。我们调查了界面前沿生长速度系数和生长动力学标度率的各向异性。在原子尺度上调查了FCC晶体生长过程中在{111}原子层的原子附着动力学性质，解释了在不同原子面上以及相同原子面上不同的方向的各向异性原子附着动力学性质。与燕山大学刘永教授合作，计算了一些重要的二元氧化物过渡金属原子（如Fe,Co,Cr等）的几何结构和稳定相吸附前后的功函变化情况，以及这些过渡金属原子的表面和体电子结构和表面态的性，为确定这些氧化物的表面成键结构提供了原子结构计算基础。本项目包括中科院物理所和燕山大学的研究人员，在SCI 杂志上发表论文 13篇, 其中物理学国际著名杂志 APPL. PHYS. LETT.,Phys. Rev. A,上发表论文 4 篇。